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 PDFInfo
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Abstract
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
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
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
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:
Die
Im seitlichen Bereich des Bauraum
Soll nun vorzugsweise Metallpulver über das halbfertige Bauteil
Im oberen Bereich des Bauraums
Nachdem frisches Metallpulver über das halbfertige Bauteil
Die
Die Schichtdicke d wird ausschließlich über die z-Positionierung des Plattformtisches
Hintergrund dieser Helligkeitsverteilung ist, dass regulär mit Pulver beschichtete Flächen (heller Bereich
Ferner ist in
In der
In den
In einer ersten Ausführungsform kann nun nur dort das nachträglich aufgetragene Pulver
In einer zweiten Ausführungsform (in Kombination oder alternativ dazu) wird über das Bauteil
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
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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