DE102013201629A1 - Generative and layer-wise production of component by e.g. laser, comprises layer-by-layer melting of metal powder located in space of component by laser, where energy required for melting is regulated depending on position of component - Google Patents

Generative and layer-wise production of component by e.g. laser, comprises layer-by-layer melting of metal powder located in space of component by laser, where energy required for melting is regulated depending on position of component Download PDF

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Abstract

The method comprises layer-by-layer melting of metal powder located in an installation space (2) of a component (8) by an energy source, where the energy required for melting is detected by a detection device and is regulated depending on the position of the component. The method further comprises carrying out controlled melting of the powder by the source at the positions of the component, in which too little energy is introduced. The parameters of the source depend on the position of the component, where the newly deposited material forms a bond with the already converted material. An independent claim is included for an apparatus for generative and layer-wise production of a component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen und schichtweisen Herstellung eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 5.The invention relates to a method and a device for the generative and layered production of a component according to the preamble of claim 1 or claim 5.

Beim selektiven Laserschmelzverfahren werden die Werkstoffeigenschaften insbesondere durch den Bauprozess und dessen Prozessparameter beeinflusst. Dazu gehören die Belichtungs- und Gasströmungsrichtung, der beim Schmelzen entstehende Schmauch, die ebenfalls beim Schmelzen entstehenden Schweißspritzer, die Schweißspurausrichtung, die Laserstabilität und die Laserpositioniergenauigkeit auf den zu bearbeitenden Werkstoff. Die Qualität der generativ gefertigten Bauteile hängt von der Reproduzierbarkeit eines stabilen SLM Prozesses ab.In the selective laser melting process, the material properties are influenced in particular by the construction process and its process parameters. These include the exposure and gas flow direction, the smoldering produced during melting, the welding spatter also produced during melting, the welding track alignment, the laser stability and the laser positioning accuracy on the material to be processed. The quality of the generatively manufactured components depends on the reproducibility of a stable SLM process.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 296 788 B1 bekannt. Dabei wird die Temperaturverteilung im Pulverbett erfasst. Es werden damit insbesondere die Temperatur im Schmelzbad, die Abkühltemperatur und die Pulverbetttemperatur mit einer Kamera erfasst. Weitere Angabe zur Temperaturerfassung sind aus dieser Druckschrift nicht entnehmbar. Allgemein bekannt sind sogenannte Infrarotkameras zur Erfassung von Temperaturverteilungen. Solche IR-Kameras können die aktuelle Temperatur der Oberfläche des Pulvers messen. Diese IR-Kameras haben den Nachteil, dass sie eine vergleichsweise geringe Ortsauflösung aufweisen.Such a method is for example from the document EP 1 296 788 B1 known. The temperature distribution in the powder bed is recorded. In particular, the temperature in the molten bath, the cooling temperature and the powder bed temperature are recorded with a camera. Further information on temperature detection can not be found in this document. Commonly known are so-called infrared cameras for detecting temperature distributions. Such IR cameras can measure the actual temperature of the surface of the powder. These IR cameras have the disadvantage that they have a relatively low spatial resolution.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzustellen, die den SLM-Prozess stabilisiert und eine hohe Ortsauflösung aufweist. Thus, the object of the present invention is to present a method and a device which stabilizes the SLM process and has a high spatial resolution.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 oder durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 5 gelöst.The object is solved by the features of independent claim 1 or by the features of independent claim 5.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen und schichtweisen Herstellung eines Bauteils mittels einer Energiequelle, die eine in einem Bauraum befindlichen Werkstoff, insbesondere Metallpulver, schichtweise umwandelt, insbesondere aufschmilzt. Dabei wird die in den Werkstoff durch die Energiequelle eingebrachte Energie in Abhängigkeit der Position im Bauraum mittels einer Detektionseinrichtung von mindestens einer Bauteilschicht erfasst. Der erforderliche Energieeintrag wird in den Werkstoff positionsabhängig geregelt.The invention relates to a method for the generative and layered production of a component by means of an energy source, which converts a layered material, in particular metal powder, in layers, in particular melts. In this case, the energy introduced into the material by the energy source is detected as a function of the position in the construction space by means of a detection device of at least one component layer. The required energy input is regulated in the material depending on the position.

Dies ist insbesondere vorteilhaft da damit keine Temperaturmessung durchgeführt wird, sondern die tatsächlich in den Werkstoff eingeflossene Energie erfasst wird. Es wird anhand einer Kalibrierung von Grauwerten, die durch die Detektionseinrichtung positionsabhängig erzeugt werden, zur eingestellten Laserenergie eine physikalische Einheit eingeführt. Damit werden die Grauwerte einer tatsächlichen, im Prozess auftretenden, Vergleichsgröße – hier eingeführte Energie – zugewiesen. Um einen Temperaturwert darzustellen, müsste die Temperatur mit Hilfe eines zweiten nicht vorgesehenen Messsystems im Moment des Aufschmelzens gemessen werden. Da dies sehr aufwendig ist, wird die eingestellte Laserenergie als Referenzgröße verwendet, die zur Verfügung steht. Zudem ist die Temperatur eine zeitabhängige Messgröße. Mit dem hiesigen Verfahren können, wegen der langen Belichtungszeit der Detektionseinrichtung, vorzugsweise eine Kamera für Wellenlängen zwischen 370 nm und 1100nm, allenfalls gemittelte Temperaturen erfasst werden. Eine Kalibrierung zur eingebrachten Energie reicht für eine quantitative Aussage über die Qualität des Bauprozesses aus.This is particularly advantageous since no temperature measurement is carried out, but the actual energy that has flowed into the material is detected. It is introduced based on a calibration of gray values, which are generated by the detection device position-dependent, to the adjusted laser energy, a physical unit. In this way, the gray values are assigned to an actual comparative variable occurring in the process - here introduced energy. To represent a temperature value, the temperature would have to be measured with the aid of a second unintentional measuring system at the moment of melting. Since this is very expensive, the set laser energy is used as a reference size, which is available. In addition, the temperature is a time-dependent parameter. With the present method, because of the long exposure time of the detection device, preferably a camera for wavelengths between 370 nm and 1100 nm, at best averaged temperatures can be detected. A calibration to the introduced energy is sufficient for a quantitative statement about the quality of the construction process.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Regelung mittels erneutem Energieeintrag mittels der Energiequelle an den Positionen des Bauteils durchgeführt, an denen zu wenig Energie eingebracht wurde. Damit wird sichergestellt, dass beim schichtweisen Aufbau des Bauteils in jeder Schicht geprüft wird, ob insbesondere im SLM-Verfahren, der insbesondere pulverförmige Werkstoff ausreichend Energie erhalten hat, um mit der vorherigen erzeugten Werkstoffschicht eine Schmelzverbindung einzugehen. Dabei werden die Stellen mit Energie nachbearbeitet, die noch unzureichend bzw. gar nicht aufgeschmolzen wurden. In an advantageous embodiment, the regulation is carried out by means of renewed energy input by means of the energy source at the positions of the component at which too little energy was introduced. This ensures that, in the layered structure of the component in each layer, it is checked whether, in particular in the SLM process, the powdery material, in particular, has received sufficient energy to fuse to the previously produced material layer. In the process, the areas are reworked with energy that has not yet been sufficiently melted or melted.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird pulverförmiger (kann auch flüssig sein) Werkstoff auf Bereiche aufgebracht, die zu wenig Werkstoff beim Aufbau der Bauteilschicht aufweisen. In Kombination oder alternativ dazu wird auf die bereits erzeugte Bauteilschicht Pulver aufgetragen. Dabei kann gezielt auf Pulverfehlstellen Werkstoff nachgefüllt werden. Alternativ oder in Kombination dazu kann über den gesamten Bauraum eine neue Pulverschicht aufgebracht werden, so dass das Bauteil mit einer neuen Pulverschicht vollständig überdeckt ist. Es entstehen also Bereiche, bei den wenig Pulver aufgeschmolzen werden muss, und andere Bereiche, bei den viel Pulver aufgeschmolzen werden muss. Diese verschiedenen Bereiche sind aus den Meßwerten der Detektionseinrichtung bekannt, da ortabhängig im Bauraum erfasst wird, ob (pulverförmiger) Werkstoff fehlt. In a further advantageous embodiment of the invention, powdery (can also be liquid) material is applied to areas that have too little material in the construction of the component layer. In combination or alternatively, powder is applied to the already produced component layer. In this case, it is possible to replenish material specifically for powder defects. Alternatively or in combination, a new powder layer can be applied over the entire installation space, so that the component is completely covered with a new powder layer. This creates areas where little powder has to be melted, and other areas where a lot of powder has to be melted. These different areas are known from the measured values of the detection device, since location-dependent detection in the installation space determines whether (powdery) material is missing.

Dementsprechend wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform mindestens ein Parameter der Energiequelle positionsabhängig derart angepasst, dass der neu aufgebrachte Werkstoff eine Verbindung mit dem bereits umgewandelten Werkstoff eingeht. Als Energiequelle wird vorzugsweise ein Laser mit einer Arbeitswellenlänge von 1050 nm verwendet. Dabei können die Laserleistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls entsprechend angepasst werden, so dass das neuaufgebrachte Pulver auf Pulverfehlstellen entsprechend aufschmilzt. Ortabhängig, insbesondere in Abhängigkeit der Messwerte der Detektionseinrichtung werden die Laserparameter eingestellt, sodass dabei ein homogenes Materialgefüge im herzustellenden Bauteil entsteht. Dies ist auch der Fall, wenn in den Werkstoff zu wenig Energie eingebracht wurde. Accordingly, in a further advantageous embodiment, at least one parameter of the energy source is adjusted in a position-dependent manner such that the newly applied material makes a connection with the already converted material. As an energy source is preferably a laser with a working wavelength of 1050 nm used. In this case, the laser power and / or the feed rate of the laser beam can be adjusted accordingly, so that the newly applied powder melts on powder defects accordingly. Depending on the location, in particular as a function of the measured values of the detection device, the laser parameters are adjusted so that a homogeneous material structure is produced in the component to be produced. This is also the case if too little energy has been introduced into the material.

Die Erfindung betrifft in einer Alterativen eine Vorrichtung zur generativen und schichtweisen Herstellung eines Bauteils mit einem Bauraum, der einen Werkstoff zum Aufbauen des Bauteils aufweist, einer Energiequelle, mit der ein auf den Werkstoff gerichteter Energiestrahl erzeugbar ist und Energie in den Werkstoff einbringbar ist, einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Energiequelle und/oder Werkstoffmenge und einer Detektionseinrichtung zur positionsabhängigen Erfassung der in mindestens einer Werkstoffschicht eingebrachten Energie. Die Detektionseinrichtung ist derart an die Steuereinrichtung angeschlossen ist, dass die Energiequelle entsprechend des erforderlichen Energieeintrags an den entsprechenden Positionen im Bauraum in den Werkstoff geregelt ist. The invention relates in an alterative to an apparatus for the generative and layered production of a component having a construction space which comprises a material for building the component, an energy source with which an energy beam directed onto the material can be generated and energy can be introduced into the material Control device for controlling the energy source and / or amount of material and a detection device for position-dependent detection of the energy introduced in at least one material layer. The detection device is connected to the control device such that the energy source is regulated according to the required energy input at the corresponding positions in the installation space in the material.

Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Bauteilqualität sichergestellt, die eine zeitintensive und aufwendige Nachuntersuchung zur Materialfehlerdetektion überflüssig macht. Vorzugsweise wird für eine Energiequelle vorzugsweise ein Laser und/oder eine Elektronenkanone verwendet. With this device according to the invention a component quality is ensured, which makes a time-consuming and expensive follow-up examination for material defect detection superfluous. Preferably, a laser and / or an electron gun is preferably used for an energy source.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die optische Achse der Detektionseinrichtung um einen Winkel α aus dem zur Bauebene gerichteten Lot geneigt. Der Neigungswinkel liegt vorzugsweise zwischen 5° und 25°. Damit kann wirksam vermieden werden, dass Reflexionsstrahlung der Energiequelle in die Detektionseinrichtung gelangt, sondern nur Absorptionsstrahlung erfasst wird. Vorzugsweise wird lediglich die vom glühenden Schmelzbad ermittierte Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich erfasst. Zur Orientierung strahlt ein sogenannter Schwarzer Strahler unter 850K ausschließlich im infraroten Bereich, d.h. Strahlung mit einer Wellenlängen größer als 800nm. In an advantageous embodiment, the optical axis of the detection device is inclined by an angle α from the solder directed to the construction plane. The angle of inclination is preferably between 5 ° and 25 °. This can be effectively avoided that reflection radiation of the energy source passes into the detection device, but only absorption radiation is detected. Preferably, only the radiation emitted by the incandescent molten bath is detected in the visible wavelength range. For orientation, a so-called black radiator below 850K radiates exclusively in the infrared region, i. Radiation with a wavelength greater than 800nm.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Detektionseinrichtung einen optischen Filter auf. Dieser Filter kann beispielsweise alle Wellenlängen größer als 800 nm dämpfen. Es kann sich dabei um einen Bandpassfilter handeln, der nur Wellenlängen von 400nm bis 800 nm durchlässt. Werden insbesondere die Wellenlängen der Energiequelle gedämpft, so kann damit ebenfalls für die Messung störende Reflexionsstrahlung unterdrückt werden.In a further advantageous embodiment, the detection device has an optical filter. For example, this filter can attenuate all wavelengths greater than 800 nm. It can be a bandpass filter that only transmits wavelengths from 400nm to 800nm. In particular, if the wavelengths of the energy source are attenuated, interfering reflection radiation can thus also be suppressed for the measurement.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Bauraum in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere Argon, angeordnet. Damit können unerwünschte Oxidverbindungen vermieden werden. In a further advantageous embodiment, the installation space is arranged in a protective gas atmosphere, in particular argon. This can be avoided unwanted oxide compounds.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Detektionseinrichtung einen hochauflösenden Detektor, insbesondere einen CMOS, sCMOS und/oder einen CCD-Sensor zum Erfassen von Strahlungsintensität im Wellenlängenbereich von 370nm bis 1100 nm. Diese ist insbesondere vorteilhaft, da solche bspw. CCD-Sensoren eine höhere optische Auflösung aufweisen als vergleichbare Infrarotsensoren. Diese höhere optische Auflösung führt zu einer höheren Ortsauflösung im Bauraum, so dass die entsprechenden Parameter gezielter geregelt werden können. In a further advantageous embodiment of the invention, the detection device comprises a high-resolution detector, in particular a CMOS, sCMOS and / or a CCD sensor for detecting radiation intensity in the wavelength range of 370 nm to 1100 nm. This is particularly advantageous since such as CCD sensors have a higher optical resolution than comparable infrared sensors. This higher optical resolution leads to a higher spatial resolution in the installation space, so that the corresponding parameters can be regulated in a more targeted manner.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und aus den Unteransprüchen entnehmbar. Anhand der schematischen Zeichung wird im Detail mindestens ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigen:Further advantageous embodiments can be taken from the following detailed description and from the subclaims. With reference to the schematic drawing at least one embodiment of the invention will be described in detail. Showing:

1 eine Seitendarstellung einer SLM-Anlage; 1 a page presentation of a SLM system;

2 eine Draufsicht auf den Bauraum als Meßwert der Detektionseinrichtung bei Pulvermangel; 2 a plan view of the space as a measured value of the detection device in the absence of powder;

3 eine Draufsicht auf den Bauraum als Meßwert der Detektionseinrichtung bei Energiemangel; und 3 a plan view of the space as a measured value of the detection device with lack of energy; and

4 einen Schnitt durch den bereits aufgeschmolzenen Werkstoff in den verschiedenen Herstellstadien und Ausführungsformen. 4 a section through the already melted material in the various stages of manufacture and embodiments.

Die 1 zeigt eine Seitendarstellung einer SLM-Anlage 1 mit einem Bauraum 2 und einer optischen Vorrichtung 3. Der Bauraum 2 ist wird durch eine Schutzkammer 4 abgedeckt. Im unteren Bereich des Bauraums 2 ist der dreigeteilte Baubereich 5 angeordnet. Im rechten Bereich ist der Pulvervorrat 6 mit einem in der z-Richtung (vertikal) verschiebbaren Pulvervorrattisch 7 angeordnet. Der Pulvervorrat 6 wird durch die vertikalverlaufende rechte Wandung 11 und die vertikalverlaufende rechtsmittlere Wandung 12 begrenzt. Im mittleren Bereich des Bauraums 2 wird das Bauteil 8 hergestellt. Das Bauteil 8 wird auf einer vorzugsweise horizontal angeordneten Plattform 9 aufgebaut, die auf einem ebenfalls vorzugsweise horizontal angeordneten Plattformtisch 10 befestigt ist. Der Plattformtisch 10 wird durch eine vertikalverlaufenden linksmittlere Wandung 13 und der rechtsmittleren Wandung 12 begrenzt. Im linken Bereich des Bauraums 2 ist der Auffangbehälter 15 mit einem vorzugsweise vertikal verschiebbaren Restpulvertisch 16 angeordnet, der durch eine linke Wandung 14 und die linksmittlere Wandung 13 begrenzt wird. The 1 shows a page display of a SLM system 1 with a space 2 and an optical device 3 , The installation space 2 is through a protective chamber 4 covered. In the lower part of the installation space 2 is the three-part construction area 5 arranged. In the right area is the powder supply 6 with a in the z-direction (vertically) displaceable Pulvervorrattisch 7 arranged. The powder supply 6 is through the vertical right wall 11 and the vertically extending right medial wall 12 limited. In the middle area of the installation space 2 becomes the component 8th produced. The component 8th is on a preferably horizontally arranged platform 9 constructed on a likewise preferably horizontally arranged platform table 10 is attached. The platform table 10 is by a vertical running left middle wall 13 and the right middle wall 12 limited. In the left area of the installation space 2 is the collection container 15 with a preferably vertically displaceable Residual powder table 16 arranged by a left wall 14 and the left middle wall 13 is limited.

Im seitlichen Bereich des Bauraum 2 in der Wand der Schutzkammer 4 sind sowohl auf der linken als auch auf rechten Seite Gasanschlüsse 17 und 18 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schutzgaseinlass 17 auf der linken Seite und der Schutzgasauslass 18 auf der rechten Seite angeordnet, so dass die Strömung des Schutzgases von links nach rechts verläuft, wie durch die Pfeile 20 angedeutet. Jede beliebige Strömungsrichtung ist vorstellbar. So kann der Schutzgasstrom senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen. In the lateral area of the installation space 2 in the wall of the shelter 4 Both gas connections are on the left and right side 17 and 18 intended. In this embodiment, the protective gas inlet 17 on the left side and the protective gas outlet 18 arranged on the right side, so that the flow of the protective gas runs from left to right, as indicated by the arrows 20 indicated. Any flow direction is conceivable. Thus, the protective gas flow can be perpendicular to the plane of the drawing.

Soll nun vorzugsweise Metallpulver über das halbfertige Bauteil 8 aufgebracht werden, so wird der Pulvervorratstisch 7 vertikal um einen bestimmten Weg hochgefahren. Entsprechend wird der Bauplattformtisch 10 um einen bestimmten Weg nach unten gefahren. Der Betrag der beiden Wege kann identisch sein, muss aber nicht. Der in der Mitte der 1 abgebildete Rakel 21 befindet sich in der Nähe der rechten Wandung und fährt von rechts nach links. Dabei schiebt der Rakel 21 einen Pulverberg 22 vor sich her. Auf linken Seite des Bauraums 2 angekommen fällt das überschüssige Pulver in den Auffangbehälter 15. Der Pulverauftrag kann auch von oben, z. B. über Düsen erfolgen.Now, preferably metal powder on the semi-finished component 8th are applied, so the powder storage table 7 raised vertically by a certain distance. Accordingly, the Bauplattformtisch 10 driven down a certain way. The amount of the two ways can be identical, but not necessarily. The one in the middle of the 1 pictured squeegee 21 is near the right wall and goes from right to left. This pushes the squeegee 21 a powder mountain 22 in front of him. On the left side of the installation space 2 arrived, the excess powder falls into the container 15 , The powder application can also from above, z. B. via nozzles.

Im oberen Bereich des Bauraums 2 ist die optische Vorrichtung 3 angeordnet. Diese optische Vorrichtung 3 umfasst die Detektionseinrichtung 31 (optische Kamera), Steuereinrichtung 32 und die Energiequelle 33 (hier einen Laser). Dabei ist der Messausgang 34 der optischen Kamera 31 an den Steuereingang 35 (hier kabelgebunden) angeschlossen. Die Steuerausgänge 36 und 37 (hier nur 2 Ausgänge angedeutet) der Steuereinrichtung 32 sind am Laser 33 (kabelgebunden) angeschlossen. Die Detektionseinrichtung 31 bzw. die optische Achse 37 steht nicht senkrecht zur Bauebene 35. Diese Senkrechte bzw. der Lot wird durch das Bezugszeichen 36 wiedergegeben. Die optische Achse 37 ist vorzugsweise zwischen 15° und 20° aus dem Lot 36 geneigt. Damit wird vermieden, dass der auf den Werkstoff treffende Laserstrahl 38 in die Detektionseinrichtung reflektiert wird und damit eine erhöhtes Grundrauschen in den Messwerten der Detektionseinrichtung verursacht. In the upper area of the installation space 2 is the optical device 3 arranged. This optical device 3 includes the detection device 31 (optical camera), control device 32 and the energy source 33 (here a laser). Here is the measurement output 34 the optical camera 31 to the control input 35 (wired here) connected. The control outputs 36 and 37 (here only 2 Outputs indicated) of the control device 32 are at the laser 33 (wired) connected. The detection device 31 or the optical axis 37 is not perpendicular to the building level 35 , This vertical or the solder is denoted by the reference numeral 36 played. The optical axis 37 is preferably between 15 ° and 20 ° out of the order 36 inclined. This avoids that the laser beam striking the material 38 is reflected in the detection device and thus causes an increased background noise in the measured values of the detection device.

Nachdem frisches Metallpulver über das halbfertige Bauteil 8 aufgebracht wurde, trifft der Laserstrahl 38 im Punkt 48 auf und schmilzt dort das Metallpulver auf. Beim Schmelzen glüht das Metall und diese Strahlung, vorzugsweise im optischen Bereich, wird von der Detektionseinrichtung 31 erfasst. Der Laser 33 wird entsprechend der 3D-Struktur des herzustellenden Bauteils über die Steuereinrichtung 32 geführt. Hat der Laser 33 die entsprechenden Stellen bearbeitet, so entstehen in der Detektionseinrichtung 31 dann die in den 2 und 3 dargestellten Bilder. After fresh metal powder over the semi-finished component 8th was applied, the laser beam hits 38 at the point 48 and melts the metal powder there. During melting, the metal glows and this radiation, preferably in the optical range, is emitted by the detection device 31 detected. The laser 33 becomes according to the 3D structure of the component to be manufactured via the control device 32 guided. Has the laser 33 processed the corresponding points, so arise in the detection device 31 then the in the 2 and 3 shown pictures.

Die 2 und 3 geben eine Draufsicht auf die Bauebene 35 aus Sicht der Detektionseinrichtung 31. Dunkle Stellen geben Bereiche an, die nicht zu glühen gebracht wurden, und weiße Stellen geben Bereiche an, die ausreichend zu glühen gebracht wurden, dh. ausreichend Energie eingebracht wurden. So sind dunkle Stellen kalte Bereich und helle Stellen warme Bereiche. Während der Belichtung durch den Laserstrahl 38 kann die Detektionseinrichtung 31 über die gesamte Belichtungszeit auf Empfang bleiben. Allerdings werden diese in den 2 und 3 abgebildeten Bilder vorzugsweise aus kleineren Einzelbilder zusammengesetzt. Damit werden durch den Bauraum 2 fliegende und glühende Metallpartikel ausgeblendet, da nur der Bereich erfasst wird, in dem der Laserstrahl 38 tatsächlich arbeitet. So liegen Belichtungszeiten typischerweise zwischen 1ms und 5000ms. Vor der Detektionseinrichtung 31 kann ein optischer Filter 71 angeordnet sein, der insbesondere die Reflexionsstrahlung dämpft. Dies kann ein Filter sein, dass die Wellenlänge der Energiequelle 33 dämpft. Auch ein zu hoher Energieeintrag kann detektiert werden. Mit der Erfindung sind z.B. Rückschlüsse auf Bindefehler möglich. The 2 and 3 give a top view on the construction level 35 from the perspective of the detection device 31 , Dark spots indicate areas that have not been made to glow, and white spots indicate areas that have been sufficiently annealed, ie. sufficient energy was introduced. Thus dark spots are cold areas and bright spots are warm areas. During exposure by the laser beam 38 can the detection device 31 stay on receipt for the entire exposure time. However, these are in the 2 and 3 imaged images preferably composed of smaller frames. This will be through the space 2 flying and glowing metal particles hidden, since only the area in which the laser beam is detected 38 actually works. Exposure times are typically between 1ms and 5000ms. Before the detection device 31 can be an optical filter 71 be arranged, which attenuates in particular the reflection radiation. This can be a filter that the wavelength of the energy source 33 attenuates. Also, an excessive energy input can be detected. With the invention, for example, conclusions about binding errors are possible.

Die Schichtdicke d wird ausschließlich über die z-Positionierung des Plattformtisches 10 definiert. Durch ein Absacken des Pulvers oder ungleichmäßige Verteilung des Pulvers im Pulvervorrat 6 kann die aufgetragene Pulvermenge beeinflusst werden. Dies ist beispielsweise in der 2 wiedergegeben. Es ist ein Ausschnitt aus einer Draufsicht auf das Bauteil 8 wiedergegeben. Es ist ein dunkler Bereich 41 und ein heller Bereich 42 erkennbar. Der dunkle Bereich 41 gibt den Bereich an, bei dem kein Metallpulver aufgetragen wurde. Der helle Bereich 42 gibt den Bereich an, bei dem ausreichend Metallpulver aufgetragen wurde. In diesem hellen Bereich 42 ist ein linienförmiger dunkler Bereich 43 erkennbar. Dieser ist dadurch entstanden, dass bspw. ein Schweissspritzer vom Rakel 21 beim Pulverauftragen mitgezogen worden und sich entsprechend in die Metallpulverschicht eingegraben und das Metallpulver mitgegenommen hat, so dass an dieser Stelle 43 ebenfalls zu wenig Pulver aufgebracht wurde. The layer thickness d is exclusively via the z-positioning of the platform table 10 Are defined. By slumping the powder or uneven distribution of the powder in the powder supply 6 the amount of powder applied can be influenced. This is for example in the 2 played. It is a section of a plan view of the component 8th played. It is a dark area 41 and a bright area 42 recognizable. The dark area 41 indicates the area where no metal powder was applied. The bright area 42 indicates the area where sufficient metal powder has been applied. In this bright area 42 is a line-shaped dark area 43 recognizable. This is caused by the fact that, for example, a welding splash from the squeegee 21 entrained during powder application and has accordingly buried in the metal powder layer and has taken along the metal powder, so that at this point 43 too little powder was applied.

Hintergrund dieser Helligkeitsverteilung ist, dass regulär mit Pulver beschichtete Flächen (heller Bereich 42) eine höhere Temperatur erreichen und somit mehr Energie abstrahlen als bereits verfestigte Schichten (dunkler Bereich 41). Verstärkt wird dieser Effekt durch die unterschiedlichen Wärmeleitungseigenschaften zwischen Pulver und einem Festkörper, die beim Festkörper höher ist als beim Pulver. Damit kann die im Pulver gespeicherte Wärme schlechter abfließen.The background to this distribution of brightness is that surfaces which are regularly coated with powder (light area 42 ) reach a higher temperature and thus emit more energy than already solidified layers (dark area 41 ). This effect is enhanced by the different heat conduction properties between powder and a solid, which is higher in the solid than in the powder. Thus, the heat stored in the powder can flow off worse.

Ferner ist in 2 erkennbar, dass die Oberfläche des Bauteils 8 mehrere Bahnen 44 aufweist. Diese verlaufen in der 2 im Wesentlichen horizontal und in der 3 im Wesentlichen vertikal. Der Laserstrahl 38 wird typischerweise alternierend wie z.B. in einer Schlangenlinie 46 geführt und gibt diese Bahnen 44 wieder. Beim Überlappen der Bahnen 44 entstehen diesen Bahnlinien 47. Furthermore, in 2 recognizable that the surface of the component 8th several tracks 44 having. These run in the 2 essentially horizontally and in the 3 essentially vertical. The laser beam 38 is typically alternating, such as in a serpentine line 46 guided and gives these tracks 44 again. When overlapping the webs 44 arise these railway lines 47 ,

In der 3 ist das vorständige Bauteil 8 erkennbar (heller Bereich). Das Bauteil 8 ist von vollständig von Pulver umgeben (weiterer dunkler Bereich 50). Das Bauteil 8 weist 3 Öffnungen 51, 52 und 53 auf, die in dieser Darstellung ebenfalls dunkel wiedergeben sind, da das Pulver an dieser Stelle nicht verfestigt wurde. Innerhalb der Bahnen sind partiell dunkel Streifen 56 und 58 erkennbar. Es sind auch beliebige Grautöne vorstellbar, die den unterschiedlichen Energieeintrag wiederspiegeln. Allerdings ist dies hier in der schwarz-weiss Strichfigur nicht darstellbar. Erfindungsgemäß kann nun die Steuereinheit 32 nach der Auswertung der von der Detektionseinrichtung erfassten Messwerte (wie in den 2 und 3 wiedergegeben) den Laserstrahl 38 konkret an die schlecht bzw. gar nicht belichteten Stellen 56 und 58 gelenkt werden, um nachträglich den Werkstoff entsprechend den Vorgaben korrekt aufzuschmelzen, damit die gewünschten Werkstoffeigenschaften erfüllt sind. In the 3 is the leading component 8th recognizable (bright area). The component 8th is completely surrounded by powder (another dark area 50 ). The component 8th has 3 openings 51 . 52 and 53 on, which are also dark in this representation, since the powder was not solidified at this point. Within the tracks are partially dark stripes 56 and 58 recognizable. There are also any gray tones conceivable that reflect the different energy input. However, this is not displayed here in the black and white stick figure. According to the invention, the control unit can now 32 after the evaluation of the measured values acquired by the detection device (as in FIGS 2 and 3 reproduced) the laser beam 38 specifically to the poorly or not at all exposed bodies 56 and 58 be steered to subsequently melt the material correctly according to the specifications, so that the desired material properties are met.

In den 4A bis F sind die erfindungsgemäßen unterschiedlichen Herstellstellstadien wiederzufinden, bei den Pulvermangel vorlagen. In 4A ist eine erste verfestigte Schicht n – 1 mit einer Dicke d zu sehen. Darüber wurde Pulver 61 aufgetragen, allerdings fehlerhaft wie in 2 wiedergegeben wurde. Im nächsten Schritt (siehe 4B) wird dieses fehlerhaft aufgetragene Pulver 61 mit Hilfe des Lasers 33 als Schicht n verfestigt. In the 4A to F, the different production stages of the invention can be found in the absence of powder. In 4A is a first solidified layer n - 1 with a thickness d to see. It became powder 61 applied, but as faulty as in 2 was reproduced. In the next step (see 4B ) is this incorrectly applied powder 61 with the help of the laser 33 solidified as layer n.

In einer ersten Ausführungsform kann nun nur dort das nachträglich aufgetragene Pulver 62 an nur den fehlenden Stellen aufgetragen werden. Der Laserstrahl 38 verfestigt das nachträglich aufgetragene Pulver 62 zu der Schicht n‘. In a first embodiment, it is only there that the subsequently applied powder can be applied 62 be applied to only the missing places. The laser beam 38 solidifies the subsequently applied powder 62 to the layer n '.

In einer zweiten Ausführungsform (in Kombination oder alternativ dazu) wird über das Bauteil 8 ein zusätzliches Pulver 63 aufgetragen (siehe 4E). Es ist erkennbar, dass im linken Bereich 64 weniger Pulver 63 aufgetragen wurde als im rechten Bereich 65. Aufgrund der Grauschattierungen aus der Darstellung aus den 2 und 3 wird ortsabhängig die Laserleistung P und/oder die Laserstrahlvorschubgeschwindigkeit derart geändert, dass im linken Bereich 64 weniger Energie in den Werkstoff eingebracht wird als im rechten Bereich 65. Die eingebrachte Energie wird derart geregelt, dass die neue Schicht n+1 im linken Bereich sich mit der darunter befindlichen Schicht n aufschmilzt und im rechten mit der darunter befindlichen Schicht n – 1 aufschmilzt, so dass ein im Wesentliches homogenes Materialgefüge entsteht. In a second embodiment (in combination or alternatively), over the component 8th an additional powder 63 applied (see 4E ). It can be seen that in the left area 64 less powder 63 was applied as in the right area 65 , Due to the shades of gray from the representation of the 2 and 3 Depending on the location, the laser power P and / or the laser beam feed speed is changed such that in the left area 64 less energy is introduced into the material than in the right area 65 , The introduced energy is regulated in such a way that the new layer n + 1 in the left area melts with the underlying layer n and melts on the right with the underlying layer n - 1, so that a substantially homogenous material structure results.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
SLM-Anlage SLM system
22
Bauraum space
33
optische Vorrichtung  optical device
44
Schutzkammer protective chamber
55
Baubereich construction industry
66
Pulvervorrat powder storage
77
Pulvervorrattisch Powder storage table
88th
Bauteil component
99
Plattform platform
1010
Plattformtisch platform table
1111
rechte Wandung right wall
1212
rechtsmittlere Wandung right middle wall
1313
linksmittlere Wandung left middle wall
1414
linke Wandung left wall
1515
Auffangbehälter für Restpulver Collection container for residual powder
1616
Restpulvertisch Residual powder table
1717
Schutzgaseinlass Inert gas inlet
1818
Schutzgasauslass Schutzgasauslass
2020
Pfeile (für die Strömungsrichtung) Arrows (for the flow direction)
2121
Rakel doctor
2222
Pulverberg powder mountain
3131
Detektionseinrichtung (optische Kamera) Detection device (optical camera)
3232
Steuereinrichtung  control device
3333
Energiequelle (Laser) Energy source (laser)
3434
Messausgang von Detektionseinrichtung Measuring output of detection device
3535
Bauebene building plane
3636
Lot auf Bauebene Lot on construction level
3737
optische Achse der Detektionseinrichtung optical axis of the detection device
4141
dunkler Bereich dark area
4242
heller Bereich bright area
4444
Bahn train
4646
Schlangenlinie wavy line
4747
Bahnlinie line
5050
weitere dunkler Bereich more dark area
51, 52, 5351, 52, 53
Öffnungen openings
6161
fehlerhaft aufgetragene Pulver incorrectly applied powders
6262
nachträglich aufgetragene Pulver subsequently applied powder
6363
zusätzlich aufgetragene Pulver additionally applied powder
6464
linker Bereich left area
6565
rechter Bereich right area
7171
optischer Filter optical filter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1296788 B1 [0003] EP 1296788 B1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zur generativen und schichtweisen Herstellung eines Bauteils (8) mittels einer Energiequelle (33), die eine in einem Bauraum (2) befindlichen Werkstoff (6), insbesondere Metallpulver, schichtweise umwandelt, insbesondere aufschmilzt, wobei die in den Werkstoff durch die Energiequelle (33) eingebrachte Energie in Abhängigkeit der Position im Bauraum mittels einer Detektionseinrichtung (31) von mindestens einer Bauteilschicht (n – 1, n, n + 1) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erforderliche Energieeintrag in den Werkstoff (6) positionsabhängig geregelt wird.Method for the generative and layered production of a component ( 8th ) by means of an energy source ( 33 ), one in a space ( 2 ) ( 6 ), in particular metal powder, converted in layers, in particular melts, wherein the material in the material by the energy source ( 33 ) introduced energy as a function of the position in the installation space by means of a detection device ( 31 ) is detected by at least one component layer (n-1, n, n + 1), characterized in that the required energy input into the material ( 6 ) is regulated depending on the position. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung mittels erneutem Energieeintrag mittels der Energiequelle (33) an den Positionen des Bauteils (8) erfolgt, an denen zu wenig Energie eingebracht wurde.A method according to claim 1, characterized in that the regulation by means of renewed energy input by means of the energy source ( 33 ) at the positions of the component ( 8th ) takes place at which too little energy was introduced. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung mittels Aufbringen von Werkstoff (61, 62, 63) auf Bereiche, die zu wenig Werkstoff beim Aufbau der Bauteilschicht (n) aufweisen, und/oder auf der bereits erzeugten Bauteilschicht (n – 1) erfolgt. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the control by means of application of material ( 61 . 62 . 63 ) to areas that have too little material in the construction of the device layer (s), and / or on the already generated component layer (n - 1). Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Energiequelle (33) positionsabhängig derart angepasst werden, dass der neu aufgebrachte Werkstoff (61, 62, 63) eine Verbindung mit dem bereits umgewandelten Werkstoff eingeht. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the parameters of the energy source ( 33 ) are adjusted depending on the position such that the newly applied material ( 61 . 62 . 63 ) enters into a connection with the already converted material. Vorrichtung zur generativen und schichtweisen Herstellung eines Bauteils mit: – einem Bauraum (2), der einen Werkstoff zum Aufbauen des Bauteils (8) aufweist; – einer Energiequelle (33), mit der ein auf den Werkstoff (61, 62, 63) gerichteter Energiestrahl (38) erzeugbar ist und Energie in den Werkstoff (6) einbringbar ist; – einer Steuereinrichtung (32) zur Ansteuerung der Energiequelle und/oder Werkstoffmenge und – einer Detektionseinrichtung (31) zur positionsabhängigen Erfassung der in mindestens einer Werkstoffschicht eingebrachten Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (31) derart an die Steuereinrichtung (32) angeschlossen ist, dass die Energiequelle (33) entsprechend des erforderlichen Energieeintrags an den entsprechenden Positionen im Bauraum (2) in den Werkstoff geregelt ist. Device for generative and layered production of a component comprising: - a construction space ( 2 ), a material for building the component ( 8th ) having; - an energy source ( 33 ), with the one on the material ( 61 . 62 . 63 ) directed energy beam ( 38 ) and energy in the material ( 6 ) can be introduced; A control device ( 32 ) for controlling the energy source and / or material quantity and - a detection device ( 31 ) for the position-dependent detection of the energy introduced in at least one material layer, characterized in that the detection device ( 31 ) to the control device ( 32 ) is connected, that the energy source ( 33 ) according to the required energy input at the corresponding positions in the installation space ( 2 ) is regulated in the material. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (31) um einen Winkel (α) aus dem zur Bauebene (35) gerichteten Lot geneigt ist, der insbesondere zwischen 5° und 25° liegt.Apparatus according to claim 5, characterized in that the detection device ( 31 ) by an angle (α) from the plane ( 35 ) directed perpendicular, which is in particular between 5 ° and 25 °. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung einen optischen Filter (71) aufweist, der insbesondere die Strahlung die im Wellenlängenbereich der Energiequelle (31) liegt, dämpft.Device according to at least one of claims 5 and 6, characterized in that the detection device comprises an optical filter ( 71 ), in particular the radiation in the wavelength range of the energy source ( 31 ), dampens. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauraum (2) in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere Argon, angeordnet ist. Device according to at least one of claims 5 to 7, characterized in that the space ( 2 ) is arranged in a protective gas atmosphere, in particular argon. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (33) ein Laser, insbesondere mit einer Wellenlänge um 1050 µm, und/oder eine Elektronenquelle ist.Device according to at least one of claims 5 to 8, characterized in that the energy source ( 33 ) is a laser, in particular with a wavelength of around 1050 μm, and / or an electron source. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (31) einen hochauflösenden Detektor umfasst, insbesondere einen CMOS, sCMOS und/oder einen CCD-Sensor zum Erfassen von Strahlungsintensität im Wellenlängenbereich von 370nm bis 1100 nm.Device according to at least one of claims 5 to 9, characterized in that the detection device ( 31 ) comprises a high-resolution detector, in particular a CMOS, sCMOS and / or a CCD sensor for detecting radiation intensity in the wavelength range from 370 nm to 1100 nm.
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