DE102016001355A1

DE102016001355A1 - Analyse von Laserstrahlen in Anlagen für generative Fertigung

Info

Publication number: DE102016001355A1
Application number: DE102016001355.9A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Otto Märten; Stefan Wolf; Roman Niedrig
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2016-02-08
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-02-09
Also published as: US11911852B2; DE102016001355B4; WO2017137022A1; US20190217422A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Energiestrahlen in Anlagen zur generativen Fertigung von Bauteilen mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials durch einen Energiestrahl. Die Erfindung ermöglicht eine Bestimmung von Positions-bezogenen Strahldaten direkt bezüglich der Bearbeitungsstelle während des Bearbeitungsprozesses. Eine Anlage zur generativen Fertigung weist eine Strahl-Ablenk-Einrichtung, eine Bearbeitungs-Ebene und eine Schicht-Auftragsvorrichtung auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine verschiebbar angeordnete Strahlsperre, ein verschiebbar angeordnetes Strahl-Probenentnahme-Modul und eine Mess-Einrichtung mit einem Strahlungs-Detektor. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Verfahrensschritte. Eine Strahlsperre und ein Strahl-Probenentnahme-Modul werden im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene positioniert. Die Strahl-Ablenk-Einrichtung wird auf die ausgewählte Bearbeitungskoordinate ausgerichtet und der Energiestrahl wird für einen begrenzten Zeitraum eingeschaltet. Mindestens ein Anteil des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate ausgerichteten Strahls wird zu einer Mess-Einrichtung mit einem Strahlungs-Detektor geleitet. Mindestens ein Strahldatum wird mittels der Mess-Einrichtung bestimmt. Die Verfahrensschritte werden während eines Produktions-Prozesses des Bauteils in einem Zeitraum vor oder nach der Verfestigung einer einzelnen Schicht des Bauteils durchgeführt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlanalyse von Energiestrahlen, insbesondere von Laserstrahlen, in Anlagen für die generative Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials mittels Energiestrahlung. Die Erfindung ist auch geeignet zur Kalibration einer Anlage für generative Fertigung oder einer Strahl-Ablenk-Einrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Generative Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung von komplex geformten dreidimensionalen Bauteilen aus einem Stück. Bei den gängigen Verfahren wird üblicherweise ein Zyklus aus drei Schritten mehrfach durchlaufen: 1. Absenken einer Bauteil-Plattform um die Schichtdicke, 2. Auftragen des meist pulverförmigen Aufbaumaterials in einer dünnen Schicht, 3. selektives Verfestigen des Aufbaumaterials mittels eines Energiestrahls oder Laserstrahls, der z. B. zeilenweise oder mäanderförmig an den Stellen über die Schicht geführt wird, die die Kontur und das Volumen des entstehenden Bauteils bilden. Die Verfestigung erfolgt üblicherweise durch Aufschmelzen und „Verbacken” (Sintern) des Aufbaumaterials (Pulver) mit der darunterliegenden Schicht. Solche Verfahren werden daher auch als „selective laser melting” (SLM) bezeichnet.
Die Qualität des gefertigten Bauteils, beispielsweise hinsichtlich Homogenität, Porenfreiheit, Oberflächengüte und Maßhaltigkeit, hängt in entscheidendem Maß von der Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit des zur Verfestigung eingesetzten Energiestrahls und der Strahl-Ablenk-Einrichtung ab. Die benötigte Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit ist jedoch über den gesamten Bearbeitungs-Bereich und über die gesamte Bearbeitungszeit meist nicht gegeben, zumal der gesamte Fertigungsprozess relativ lange dauert. Durch thermische und andere Langzeit-Einflüsse kann es zu Schwankungen der Strahlleistung bzw. Laserleistung, zu Änderungen des Strahldurchmessers, und zu Änderungen der Strahl-Positionierung während des Fertigungsprozesses kommen. Es wird daher oftmals hoher Aufwand betrieben, um den Fertigungsprozess zu kontrollieren und zu regeln. Dennoch ist die Erfassung von Daten, insbesondere von Strahldaten an der Bearbeitungsstelle, die idealerweise zur Prozess-Steuerung benötigt werden, schwierig, ungenau, oder nicht während der Bearbeitung (d. h. online) möglich.
Aus dem Patent Nr. DE 41 12 695 C3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch Verfestigen übereinanderliegender Schichten bekannt. In dem offenbarten Verfahren werden nach der Verfestigung einer Schicht die Oberfläche oder die Kontur des Objekts gemessen. Aus einem Vergleich der Messergebnisse mit den vorgegebenen Daten des Objekts werden Korrekturwerte ermittelt, die bei der Verfestigung der nachfolgenden Schicht verwendet werden. Demnach kann das Verfahren Veränderungen im Herstellungsprozess, die durch Änderungen von Strahldaten oder Strahl-Positionsdaten verursacht werden, nur indirekt erfassen und außerdem erst dann, wenn die Änderungen sich bereits in der aufgebauten Schicht manifestieren.
Das Patent Nr. DE 10 2007 062 129 B3 zeigt ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials. Hierbei wird die Leistung des Lasers, der zum Verfestigen der Schicht eingesetzt wird, während des Herstellungsprozesses gemessen und die Laserleistung wird in Abhängigkeit vom gemessenen Wert gesteuert. Zur Messung der Leistung wird ein Bruchteil des Strahls mittels eines teiltransparenten Spiegels ausgekoppelt, der im Strahlengang vor der Strahl-Ablenkeinrichtung angeordnet ist. Demnach können mit dem Verfahren bereits kleine Änderungen in der Strahlleistung erfasst und korrigiert werden, bevor die Änderungen in der aufgebauten Schicht sichtbar werden. Jedoch ist das offenbarte Verfahren nicht in der Lage, die Strahlleistung am Ort der Bearbeitung zu erfassen. Somit bleiben Änderungen, die durch die Strahl-Ablenkeinrichtung verursacht werden, unerkannt. Weiterhin können mit dem gezeigten Verfahren Änderungen der Strahl-Positionierung nicht erfasst und korrigiert werden.
Einen anderen Ansatz zur Verbesserung eines generativen Herstellungsprozesses offenbart die DE 10 2012 221 218 A1 . Es wird eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung von mittels Laserstrahlbearbeitung hergestellten Produkten gezeigt. Dazu wird eine Vorrichtung zur Ermittlung und Aufzeichnung der Temperatur an der Bearbeitungsposition in Echtzeit während der Bearbeitung vorgeschlagen. Die Ermittlung der Temperatur erfolgt mittels einem für IR-Strahlung empfindlichen optischen Detektor, z. B. einem Pyrometer. Die Laserparameter werden auf der Grundlage der ermittelten Daten in Echtzeit geregelt. Demnach können zwar die Auswirkungen von Änderungen der Strahlparameter durch die Regelung verringert werden, jedoch kann nicht ermittelt werden, ob die Temperatur-Änderungen durch Schwankungen der Laserleistung oder beispielsweise durch Änderungen des Strahldurchmessers verursacht werden. Weiterhin können auch mit diesem Verfahren keine Änderungen der Strahl-Positionierung erfasst oder korrigiert werden.
Die Strahl-Positionierung in der Bearbeitungs-Ebene hat unmittelbaren Einfluss auf die Genauigkeit, Maßhaltigkeit und Formtreue der zu fertigenden Bauteile. Die Strahl-Positionierung muss deshalb üblicherweise kalibriert werden. Ein zur Kalibration übliches Verfahren zeigt beispielsweise die EP 0 792 481 B1 . Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung der Steuerung zur Ablenkung eines Laserstrahls für Rapid-Prototyping-Systeme offenbart. Dabei wird ein Testbild, z. B. ein Koordinatenraster, durch Bestrahlen eines lichtempfindlichen Mediums mit einem Laserstrahl an vorgegebenen Sollpositionen erzeugt. Mit einer Bildaufnahmeeinrichtung wird das Testbild digitalisiert und die Ist-Positionen mit den Sollpositionen verglichen, woraus Korrekturdaten für die Steuerung gewonnen werden. Das Verfahren benötigt demnach eine Zugänglichkeit zur Bearbeitungs-Ebene. Deshalb kann das offenbarte Verfahren nicht zur Erfassung der Änderung von Strahl-Positionsdaten während des Herstellungsprozesses bei der generativen Fertigung eingesetzt werden, also online, da bei der generativen Fertigung die Bearbeitungs-Ebene auch zwischen einzelnen Schicht-Verfestigungsschritten normalerweise nicht zugänglich ist. Zudem können mit dem Verfahren keine anderen Strahldaten wie beispielsweise die Strahlleistung ermittelt werden.
Verfahren und Vorrichtungen zur Positions-bezogenen Erfassung von Strahldaten zeigen beispielsweise die US 6,501,061 B1 und die DE 10 2011 006 553 A1 . In diesen Verfahren werden Aperturen oder Lochblenden mit einem nachgeordneten oder darunter angebrachten Detektor an verschiedenen Positionen in der Bearbeitungs-Ebene angeordnet. Die Aperturen oder Lochblenden werden vom Laserstrahl mittels der Strahl-Ablenk-Einrichtung abgetastet. Aus dem Detektor-Signal und der Korrelation mit der Steuerung der Strahl-Ablenk-Einrichtung können verschiedene Positions-bezogene Werte ermittelt werden wie z. B. die Strahl-Position, der Strahldurchmesser oder das Strahlprofil. Die Anordnung von Aperturen, Lochblenden und Detektoren in der Bearbeitungs-Ebenen und darunter erfordert eine freie Zugänglichkeit im Bearbeitungs-Bereich. Demnach sind die offenbarten Vorrichtungen zwar zur Kalibration einer Strahl-Ablenk-Einrichtung vor der Bearbeitung einsetzbar, jedoch nicht zur online-Erfassung bei einem generativen Fertigungsprozess geeignet.
Aus der EP 2 280 816 B1 ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Bestrahlungsvorrichtung bekannt. In diesem Verfahren wird eine Bildwandlerplatte eingesetzt, die detektierbares Licht abgibt, wenn die Bestrahlungsvorrichtung vorbestimmte Positionen der Bildwandlerplatte bestrahlt. Die Bildwandlerplatte kann beispielsweise eine Lochmaske aufweisen. Die Bildwandlerplatte wird mit der Bestrahlungsvorrichtung abgetastet und aus dem Erfassen des detektierbaren Lichts werden Koordinaten bestimmt, die mit vorgegebenen Referenzkoordinaten verglichen werden. Dazu muss die Bildwandlerplatte in der Bearbeitungs-Ebene angeordnet werden. Demnach ist das offenbarte Verfahren zwar geeignet zur Kalibration der Bestrahlungsvorrichtung vor Beginn eines Herstellungsprozesses. Jedoch ist auch dieses Verfahren nicht zur online-Erfassung der Änderung von Strahl-Positionsdaten geeignet; die Ermittlung anderer Strahldaten wie der Strahlleistung ist nicht vorgesehen.
Die bekannten Vorrichtungen zur Strahl-Analyse oder zur Positions-Kalibration der Strahl-Positionier-Einrichtung bzw. der Strahl-Ablenk-Einrichtung in Laserbearbeitungs-Anlagen mit positionierbarem Energiestrahl oder Laserstrahl, wie beispielsweise in Scanner-Anlagen, benötigen demnach die Anordnung eines Messmittels oder einer Positions-selektiven Einrichtung direkt in der Bearbeitungs-Ebene. Solche Vorrichtungen sind jedoch für die Strahl-Kontrolle oder Prozess-Kontrolle in Anlagen für generative Fertigung während des Fertigungsprozesses nicht geeignet, da in diesen Anlagen die Bearbeitungs-Ebene, also die Ebene des Schicht-Aufbaus, nicht zugänglich ist. Auch der Bereich unmittelbar über der Schicht-Aufbau-Ebene ist im Zeitraum zwischen zwei Schicht-Aufbauten nicht zugänglich, da dieser Bereich für die Auftrags-Vorrichtung des Schicht-Aufbaumaterials freigehalten werden muss.
Die bekannten Verfahren zur Prozess-Kontrolle in Anlagen für die generative Fertigung betreffen demnach beispielsweise einerseits Steuerungen des Verfestigungs-Prozesses durch Regelung von Prozess-Parametern in Abhängigkeit von beispielsweise thermischen Messungen in der Aufbauschicht oder an der Bearbeitungsstelle, oder andererseits eine Kontrolle der aufgebauten Schicht auf Fehler hinsichtlich der Oberfläche, Poren, mangelhafte Anbindung, und ähnlichem. Die bekannten Verfahren sind jedoch nicht in der Lage, die möglichen Ursachen für einen mangelbehafteten Schichtaufbau zu erfassen, die oftmals durch Änderungen oder Schwankungen der Strahlparameter zustand kommen.
Aus dem Stand der Technik sind demnach keine Vorrichtungen oder Verfahren bekannt, welche in der Lage sind, verschiedene Positions-bezogene Strahldaten während des lang andauernden Bearbeitungsprozesses in Anlagen für generative Fertigung direkt bezüglich der Bearbeitungsstelle zu erfassen und auf Grundlage dieser Strahldaten den Bearbeitungsprozess zu optimieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Bestimmung von Positions-bezogenen Strahldaten direkt bezüglich der Bearbeitungsstelle während des Bearbeitungsprozesses in Anlagen für generative Fertigung ermöglichen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums in einer Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials durch einen Energiestrahl vorgeschlagen. Die Anlage zur generativen Fertigung weist eine Strahl-Ablenk-Einrichtung, eine Bearbeitungs-Ebene und eine Schicht-Auftragsvorrichtung auf. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Verfahrensschritte. Eine Strahlsperre wird im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene positioniert. Ein Strahl-Probenentnahme-Modul wird im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene positioniert. Die Strahl-Ablenk-Einrichtung wird auf die ausgewählte Bearbeitungskoordinate ausgerichtet. Der Energiestrahl wird für einen begrenzten Zeitraum eingeschaltet. Mindestens ein Anteil des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate ausgerichteten Strahls wird zu einer Mess-Einrichtung mit einem Strahlungs-Detektor geleitet. Mindestens ein Strahldatum wird mittels der Mess-Einrichtung bestimmt. Dabei werden die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul beabstandet zur Bearbeitungsebene positioniert. Die vorbenannten Verfahrensschritte werden während eines Produktions-Prozesses des Bauteils in einem Zeitraum vor oder nach der Verfestigung einer einzelnen Schicht des Bauteils durchgeführt.
In einem möglichen Verfahren können die vorbenannten Verfahrensschritte im Wesentlichen während des Auftragens einer Schicht des Aufbaumaterials durchgeführt werden.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem mindestens ein mittels der Mess-Einrichtung bestimmtes Strahldatum oder ein daraus abgeleiteter Wert an eine Prozess-Steuerungs-Einheit übermittelt wird.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Strahl-Probenentnahme-Modul in einer zu der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate entsprechenden Position positioniert wird und die entsprechende Position in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y, welche die Bearbeitungs-Ebene aufspannen, mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate übereinstimmt.
In einem möglichen Verfahren kann das Positionieren der Strahlsperre und das Positionieren des Strahl-Probenentnahme-Moduls mit der Bewegung der Schicht-Auftragsvorrichtung gekoppelt sein.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Strahl-Ablenk-Einrichtung nacheinander auf eine Mehrzahl von verschiedenen ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten in der Bearbeitungs-Ebene ausgerichtet wird und bei jeder der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten die Bestimmung mindestens eines Strahldatums durchgeführt wird.
In einem weiteren Verfahren können die bestimmten Strahldaten zur Kalibration der Strahl-Ablenk-Einrichtung herangezogen werden.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Bestimmung von Strahldaten für eine Mehrzahl von verschiedenen ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten im Wesentlichen während eines einzelnen Schicht-Auftrags-Vorgangs durchgeführt wird.
Bei den beschriebenen Verfahren kann das Bestimmen mindestens eines Strahldatums das Bestimmen von einem oder mehreren der folgenden Parameter beinhalten: Strahlleistung, Strahlenergie, Strahlintensität, Strahldurchmesser, Strahlposition in der Bearbeitungs-Ebene, Abweichung der Strahlposition zur ausgewählten Koordinate, axiale Fokusposition, Abweichung der axialen Fokusposition von der Bearbeitungs-Ebene, Strahl-Ablenkgeschwindigkeit.
Die beschriebenen Verfahren können in einem Prozess zur generativen Fertigung eines Bauteils mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei die Bestimmung von Strahldaten entweder vor jedem Aufbau einer einzelnen Schicht durchgeführt wird oder zumindest regelmäßig nach Aufbau einer Mehrzahl von Schichten vor dem Aufbau der nächsten Mehrzahl von Schichten durchgeführt wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums in einer Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials durch einen Energiestrahl vorgeschlagen. Die Anlage zur generativen Fertigung weist eine Strahl-Ablenk-Einrichtung, eine Bearbeitungs-Ebene und eine Schicht-Auftragsvorrichtung auf. Die Vorrichtung beinhaltet eine Strahlsperre, ein Strahl-Probenentnahme-Modul und eine Mess-Einrichtung. Dabei sind die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul verschiebbar angeordnet. Die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul sind positionierbar im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene. Die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul sind in jeder möglichen Positionierung beabstandet zur Bearbeitungs-Ebene. Das Strahl-Probenentnahme-Modul ist eingerichtet zum Leiten mindestens eines Anteils des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate ausgerichteten Strahls zur Mess-Einrichtung. Die Mess-Einrichtung weist einen Strahlungs-Detektor auf und ist eingerichtet zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der das Strahl-Probenentnahme-Modul in einer zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate entsprechenden Position positionierbar ist und die entsprechende Position in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y, welche die Bearbeitungs-Ebene aufspannen, mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate übereinstimmt.
Das Strahl-Probenentnahme-Modul kann mit einer Weglängen-Mess-Einrichtung gekoppelt sein zur Erfassung einer Position des Strahl-Probenentnahme-Moduls in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Mess-Einrichtung angeordnet ist hinter einem Auskoppelspiegel, der in der Strahlführung des Energiestrahls zur Strahl-Ablenk-Einrichtung angeordnet ist zur Auskopplung von Strahlung, die vom Strahl-Probenentnahme-Modul in die Strahl-Ablenk-Einrichtung zurückreflektiert wird.
Das Strahl-Probenentnahme-Modul kann mindestens ein Strahlführungselement mit einem Segment einer teilreflektierenden sphärischen Fläche umfassen. Dabei kann ein Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche positionierbar sein an der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate oder an einem zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate korrespondierenden Punkt.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der das Strahl-Probenentnahme-Modul die Mess-Einrichtung beinhaltet und die Mess-Einrichtung zusammen mit dem Strahl-Probenentnahme-Modul positionierbar ist.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Mess-Einrichtung angeordnet ist außerhalb eines Bearbeitungs-Raumes, der durch die möglichen Strahlwege zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und der Bearbeitungs-Ebene definiert ist.
Das Strahl-Probenentnahme-Modul kann mindestens ein Strahlführungselement oder mindestens einen Umlenkspiegel mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche beinhalten.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul mittels einer Linear-Führung, die parallel zur Bearbeitungs-Ebene ausgerichtet ist, aus einer Park-Position außerhalb der Strahlwege heraus zu mindestens einer Position im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene verschiebbar sind.
Ein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls kann gleichzeitig als Strahlsperre ausgelegt sein.
Die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul können mit der Schicht-Auftragsvorrichtung gekoppelt sein.
Die Mess-Einrichtung kann eingerichtet sein zur Bestimmung von einem oder mehreren der folgenden Parameter: Strahlleistung, Strahlenergie, Strahlintensität, Strahldurchmesser, Strahlposition in der Bearbeitungs-Ebene, Abweichung der Strahlposition zur ausgewählten Koordinate, axiale Fokusposition, Abweichung der axialen Fokusposition von der Bearbeitungs-Ebene, Strahl-Ablenkgeschwindigkeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:
1: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Anlage zur generativen Fertigung. Mehrere vorgesehene Möglichkeiten zur Anordnung der Mess-Einrichtung sind in dieser Abbildung gemeinsam dargestellt.
2: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit zur Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer ersten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
3: Eine schematische, teil-perspektivische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit zur Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer zweiten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
4: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer dritten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
5: Eine schematische, teil-perspektivische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Messeinrichtung und mit einer vierten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
6: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer fünften Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
7: Eine schematische, teil-perspektivische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform ähnlich 6 mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer sechsten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
8: Eine schematische, teil-perspektivische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform ähnlich 6 mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer sechsten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls, das in der gleichen Richtung verschiebbar ist wie die Schicht-Auftragsvorrichtung.
9: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer siebten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
10: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer achten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
11: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer dritten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer neunten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
12: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer vierten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer neunten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
13: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer dritten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer zehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
14: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer dritten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer elften Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
15: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer zwölften Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
16a: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer dreizehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls, die das Strahl-Proben-Entnahme-Modul in einer Position zur Messung eines in +x-Richtung ausgelenkten Strahls zeigt.
16b: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer dreizehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls, die das Strahl-Proben-Entnahme-Modul in einer Position zur Messung eines in –x-Richtung ausgelenkten Strahls zeigt.
17a: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer vierzehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls, die das Strahl-Proben-Entnahme-Modul in einer Position zur Messung eines in +x-Richtung ausgelenkten Strahls zeigt.
17b: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer vierzehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls, die das Strahl-Proben-Entnahme-Modul in einer Position zur Messung eines in –x-Richtung ausgelenkten Strahls zeigt.
18: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer fünfzehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt die Erfindung in einer schematischen Darstellung. Eine Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen 70 mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials 55 durch einen Energiestrahl 30 beinhaltet typischerweise eine Bauteilplattform 50, auf der das Bauteil 70 schichtweise aufgebaut wird, eine Strahl-Ablenk-Einrichtung 40, und eine Schicht-Auftragsvorrichtung 60. Während eines Fertigungs-Prozesses wird zunächst die Bauteilplattform 50 um die Dicke einer Schicht abgesenkt. Dann wird eine Schicht des Aufbaumaterials 55, das z. B. pulverförmig sein kann, aus einem Reservoir 51 mittels einer Schicht-Auftragsvorrichtung 60 auf die abgesenkte Bauteilplattform 50 bzw. auf die zuvor verfestigte Schicht aufgetragen. Dabei kann überschüssiges Aufbaumaterial 55 in einem Reservoir 52 für überschüssiges Aufbaumaterial aufgefangen werden. Die Schicht-Auftragsvorrichtung 60 kann z. B. eine Rakel sein, die mittels eines Antriebs und einer Führung 62 parallel zur Bearbeitungs-Ebene 45 über die Bauteilplattform 50 fahrbar ist. Anschließend wird zum Verfestigen ein Energiestrahl oder Laserstrahl 30 mittels der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 selektiv über die Stellen der Schicht geführt, die die Kontur und das Volumen des zu fertigenden Bauteils 70 bilden. Die Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 kann beispielsweise mindestens einen, üblicherweise zwei Scanner-Spiegel 42 zum Umlenken und Ausrichten des Strahls 30 und ein Scan-Objektiv 43 zum Fokussieren des Strahls 30 umfassen. Der fokussierte Laserstrahl 31, 32 bildet in der Bearbeitungs-Ebene 45 einen Strahlfokus 35 aus.
Zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums oder mehrerer Strahldaten wird vorzugsweise der Zeitraum vor oder nach dem Verfestigen einer Schicht genutzt, beispielsweise der Zeitraum, in dem die Schicht aufgetragen wird. Dazu sind in der Anlage eine Strahlsperre 17 und ein Strahl-Probenentnahme-Modul 20 verschiebbar angeordnet. Die Erfindung umfasst weiterhin eine Mess-Einrichtung 10 mit einem Strahlungs-Detektor 12. Die Mess-Einrichtung 10 kann je nach Ausführungsform der Erfindung an verschiedenen Stellen der Anlage angeordnet sein. Die alternativ möglichen Anordnungen der Mess-Einrichtung 10 sind in der 1 mit den Bezugszeichen 10a, 10b und 10c dargestellt.
Die Mess-Einrichtung 10 kann in einer ersten möglichen Anordnung (Bezugszeichen 10a) hinter einem Auskoppelspiegel 15 angeordnet sein, der bei dieser möglichen Anordnung in der Strahlzuführung des Laserstrahls 30 zur Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 angeordnet ist. Die Mess-Einrichtung 10 umfasst in dieser ersten möglichen Anordnung weiterhin Mittel zur Fokussierung 14, wie zum Beispiel eine Linse. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst in dieser Ausführungsform mindestens ein Strahlführungselement 22.
In einer zweiten möglichen Anordnung (Bezugszeichen 10b) kann die Mess-Einrichtung 10 ein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 sein.
In einer dritten möglichen möglichen Anordnung (Bezugszeichen 10c) kann die Mess-Einrichtung 10 an einer Stelle angeordnet sein, die sich außerhalb des Bearbeitungs-Raumes befindet, der durch die möglichen Strahlwege z. B. der fokussierten Laserstrahlen 31, 32 zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 definiert ist. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann in dieser Ausführungsform einen Umlenkspiegel umfassen.
Zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums werden die Strahlsperre 17 und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in eine Position verschoben, die im Strahlweg des fokussierten Laserstrahls 32 zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 liegt. Mittels des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 wird der Laserstrahl 32 oder zumindest ein Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Laserstrahl 32 zur Mess-Einrichtung 10 geleitet. Aus einem Signal des Strahlungs-Detektors 12 wird mindestens ein Strahldatum bestimmt.
2 zeigt die Erfindung in einer Ausführungsform mit der ersten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10 hinter dem Auskoppelspiegel 15 in der Strahlzuführung. Bei der hier gezeigten Ausgestaltung umfasst das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 ein Strahlführungselement 22. Das Strahlführungselement 22 weist eine zumindest teilreflektierende sphärische Fläche auf. Zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums wird das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 so ausgerichtet, dass der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche mit einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 übereinstimmt. Zur Bestimmung von Strahldaten für mehrere Bearbeitungs-Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 ist das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in Richtung der Koordinaten-Achsen x und y verschiebbar, d. h. parallel zur Bearbeitungs-Ebene 45. Die Strahlsperre 17 kann mit dem Strahl-Probenentnahme-Modul 20 zusammen verschiebbar sein.
In 3 ist eine Ausführungsform ähnlich der in 2 dargestellt. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 weist hier mehrere Strahlführungselemente 22 mit sphärischen Flächen auf. Die Strahlführungselemente sind in Richtung der Koordinaten-Achse y an verschiedenen Positionen angeordnet, so dass in y-Richtung mehrere verschiedene Bearbeitungs-Koordinaten 44 gleichzeitig adressiert werden können. Die Möglichkeit zur Verschiebung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in der y-Richtung kann dadurch eingespart werden. Zur Adressierung verschiedener Koordinaten in x-Richtung wird nur eine Verschiebung in x-Richtung benötigt. Die Bewegung der Rakel 60 für den Schicht-Auftrag ist hier ebenfalls in x-Richtung ausgerichtet. Es ist daher möglich, die Verschiebung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 und der Strahlsperre 17 mit der Bewegung der Rakel 60 zu koppeln.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der im Strahl-Probenentnahme-Modul 20 mehrere Strahlführungselemente 22 mit sphärischen Flächen in Richtung der Koordinaten-Achse x an verschiedenen Positionen angeordnet sind. Zur Adressierung verschiedener Koordinaten in x-Richtung wird daher keine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in x-Richtung benötigt. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann für die Bestimmung von Strahldaten zentriert über der Bearbeitungs-Ebene 45 positioniert werden. Wenn auch eine Adressierung verschiedener Koordinaten in y-Richtung erfolgen soll, wird eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in y-Richtung benötigt.
Um die Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in y-Richtung einzusparen, kann das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 zusätzliche Strahlführungselemente 22 mit sphärischen Flächen aufweisen, die zusätzlich an verschiedenen Stellen in y-Richtung angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung der Erfindung zeigt 5. Die Strahlführungselemente 22 sind hier in Form einer Matrix oder eines Arrays im Strahl-Probenentnahme-Modul 20 angeordnet.
In 6 ist eine Ausführungsform ähnlich zu 4 dargestellt. Für die sphärischen Flächen der Strahlführungselemente 22 sind hier verschiedene Ausschnitte bzw. Segmente einer Kugelfläche eingesetzt, die in ihrer Breite an die Größe des Strahlquerschnitts des fokussierten Strahls 32 angepasst sind. Auf diese Weise können die einzelnen Ausschnitte der sphärischen Flächen bzw. die einzelnen Strahlführungselemente 22 besonders eng aneinander angeordnet werden, so eine größere Anzahl von sphärischen Flächen bzw. Strahlführungselementen 22 verwendet werden kann und somit eine größere Anzahl von verschiedenen Bearbeitungs-Koordinaten 44 gleichzeitig adressiert werden kann.
7 zeigt eine mit 6 vergleichbare Anordnung in einer teil-perspektivischen Darstellung. Um eine Adressierung von verschiedenen Koordinaten in y-Richtung zu erreichen, muss das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in der y-Richtung nachführbar sein.
8 zeigt eine zu 7 ähnliche Anordnung, bei der jedoch die sphärischen Flächen der Strahlführungselemente 22 verschiedene Koordinaten in y-Richtung adressieren. Eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 ist daher nur in x-Richtung erforderlich, um über die ganze Bearbeitungs-Ebene 45 verteilte unterschiedliche Bearbeitungs-Koordinaten 44 zu adressieren. In der gezeigten Ausführungsform ist die Bewegung der Rakel 60 für den Schicht-Auftrag ebenfalls in x-Richtung ausgerichtet. Es ist daher möglich, die Verschiebung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 und der Strahlsperre 17 mit der Bewegung der Rakel 60 zu koppeln.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform mit der ersten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10 hinter dem Auskoppelspiegel 15 in der Strahlzuführung dargestellt. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst hier mehrere Strahlführungselemente 22 mit sphärischen Flächen und weiterhin einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Durch den Umlenkspiegel 23 wird die Bearbeitungs-Ebene 45 in eine zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierende virtuelle Ebene 46 gespiegelt. Die Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Flächen der Strahlführungselemente 22 sind hierbei nicht auf Koordinaten in der Bearbeitungs-Ebene 45 ausgerichtet, sondern auf korrespondierende Koordinaten in der virtuellen Ebene 46.
10 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einer zweiten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Die Mess-Einrichtung 10 ist hier Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst weiterhin einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Der Umlenkspiegel 23 lenkt einen Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Strahl 32 um. Die Fokus-Punkte der umgelenkten Strahl-Anteile 36 liegen in einer virtuellen Ebene, die zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondiert und die durch die Spiegelung der auf die Bearbeitungs-Ebene 45 fokussierten Laserstrahlen 31, 32 am Umlenkspiegel 23 definiert ist. Die Mess-Einrichtung 10 ist in der virtuellen Ebene angeordnet. Die Mess-Einrichtung 10 weist mindestens einen Strahlungs-Detektor 12 auf, kann aber auch wie dargestellt eine Mehrzahl von Strahlungs-Detektoren 12 aufweisen, die in der virtuellen Ebene angeordnet sind.
In 11 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit einer dritten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10 gezeigt. Hier ist die Mess-Einrichtung 10 angeordnet in einer Position außerhalb des Bearbeitungs-Raumes, der durch die möglichen Strahlwege der fokussierten Laserstrahlen 31, 32 zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 definiert ist. Die Mess-Einrichtung 10 ist beispielsweise angeordnet seitlich oberhalb der Bearbeitungs-Ebene 45. Die Mess-Einrichtung 10 ist hier kein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 und muss auch nicht mit dieser verbunden sein. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Die Mess-Einrichtung 10 ist angeordnet in der virtuellen Ebene, die zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondiert und die durch die Spiegelung der auf die Bearbeitungs-Ebene 45 fokussierten Laserstrahlen 31, 32 am Umlenkspiegel 23 definiert ist, wenn das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in einer Mess-Position im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 positioniert ist. Die Mess-Einrichtung 10 weist mindestens einen Strahlungs-Detektor 12 auf, kann aber auch wie dargestellt eine Mehrzahl von Strahlungs-Detektoren 12 aufweisen.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer vierten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Wie in der Ausführungsform nach 11 beinhaltet das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Die seitlich außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordnete Mess-Einrichtung 10 weist einen Strahlungs-Detektor 12 auf. Die Mess-Einrichtung 10 ist in der hier gezeigten Ausführungsform in einer y-z-Ebene verschiebbar angeordnet. Dadurch kann der Strahlungs-Detektor 12 an verschiedenen Punkten in der virtuellen Ebene positioniert werden, die den korrespondierenden Bearbeitungs-Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 entsprechen. Alternativ kann die Mess-Einrichtung 10 mehrere Strahlungs-Detektoren 12 aufweisen, die beispielsweise in Richtung der y-Achse hintereinander angeordnet sind, wodurch verschiedene Punkte entlang der y-Koordinaten-Achse gleichzeitig adressierbar sind. Dann ist eine Nachführung der Mess-Einrichtung 10 nur entlang der z-Achse erforderlich, um verschiedene Punkte korrespondierend zur x-Achse in der Bearbeitungs-Ebene 45 zu adressieren.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit der dritten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Bei dieser Ausführungsform ist die Mess-Einrichtung 10 mit einem Strahlungs-Detektor 12 an einer festen Position außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordnet. Die Nachführung des Strahl-Anteils 36, der aus dem fokussierten Strahl 32 auf den Detektor 12 geleitet wird, erfolgt hier durch die Positionierung und Ausrichtung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 mit dem Umlenkspiegel 23. Dazu muss das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in allen drei Raumrichtungen verschiebbar angeordnet sein und zusätzlich um zwei Raum-Achsen schwenkbar sein. Dafür kann der Umlenkspiegel 23 bei dieser Ausführungsform geringere Abmessungen aufweisen.
Die in 14 dargestellte Ausführungsform ist der in 13 gezeigten ähnlich. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln 23. Jeder Umlenkspiegel 23 leitet einen Strahl-Anteil 36 korrespondierend zu einer Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 auf den Detektor 12 in der Mess-Einrichtung 10. Eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 ist also nicht erforderlich. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 muss lediglich aus einer Park-Position außerhalb des Bearbeitungsraumes zu einer Mess-Position im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 verschiebbar sein.
15 ist eine Darstellung der Erfindung in einer anderen Ausführungsform mit der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Die Mess-Einrichtung 10 ist hier Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20. Die Mess-Einrichtung 10 weist mindestens einen Strahlungs-Detektor 12 auf, oder wie hier dargestellt, mehrere Strahlungs-Detektoren 12, die zum Beispiel an verschiedenen Positionen in y-Richtung angeordnet sein können. Die Strahlungs-Detektoren 12 sind hier zur Erfassung eines Strahlquerschnitts des fokussierten Strahls 32 ausgebildet. Eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 ist nur in der x-Richtung erforderlich. Eine Kopplung der Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 mit der Bewegung der Rakel 60 ist möglich.
Die 16a und 16b zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst hier die Mess-Einrichtung 10 mit einem Strahlungs-Detektor 12 und einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 ist in beiden Achsen x und y parallel zur Bearbeitungs-Ebene 45 verschiebbar angeordnet. Durch eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in beiden Achsen x, y kann somit jede Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 adressiert werden und ein Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Strahl 32 auf den Detektor 12 geleitet werden. Alternativ kann die Mess-Einrichtung 10 mehrere Strahlungs-Detektoren 12 aufweisen, die zum Beispiel in Richtung der y-Achse hintereinander angeordnet sein können, wodurch verschiedene Punkte entlang der y-Koordinaten-Achse gleichzeitig adressierbar sind. Dann ist eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 nur entlang der x-Achse erforderlich, um verschiedene Punkte korrespondierend zur x-Achse in der Bearbeitungs-Ebene 45 zu adressieren. In diesem Fall kann die Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 mit der Bewegung der Schicht-Auftragsvorrichtung (Rakel) 60 gekoppelt werden. 16a zeigt das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 in einer Position zur Messung eines in +x-Richtung ausgelenkten Strahls 32, während in 16b die Messung eines in –x-Richtung ausgelenkten Strahls 32 dargestellt ist.
In den 17a und 17b ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10 dargestellt. Diese Variante unterscheidet sich von der in den 16a, 16b gezeigten Ausführungsform nur durch einen zweiten Umlenkspiegel, der zusätzlich im Strahl-Probenentnahme-Modul 20 angeordnet ist. 17a zeigt das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 in einer Position zur Messung eines in +x-Richtung ausgelenkten Strahls 32, während in 17b die Messung eines in –x-Richtung ausgelenkten Strahls 32 dargestellt ist. Die zweite Umlenkung des Strahl-Anteils 36 kann für eine zusätzliche Abschwächung der Strahlung genutzt werden. Wenn die zweite Umlenkung wie dargestellt in derselben Ebene erfolgt wie die erste Umlenkung am Umlenkspiegel 23, dann kann dadurch eine Reduktion der Winkel-Abhängigkeit der reflektierten Strahlung erreicht werden, da eine Reflexion unter einem kleineren Winkel mit einer Reflexion unter größerem Winkel kompensiert wird und umgekehrt. Wenn die zweite Umlenkung in einer alternativen (nicht dargestellten) Ausführungsform in einer zur ersten Umlenkung am Umlenkspiegel 23 senkrechten Ebene erfolgt, also aus der Zeichenebene der 17a, 17b heraus, dann kann dadurch eine Reduktion der Polarisations-Abhängigkeit der reflektierten Strahlung erreicht werden.
18 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 bei einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Die Mess-Einrichtung 10 beinhaltet hier zusätzlich zu einem Strahlungs-Detektor 12 ein Target 13, welches in einer virtuellen Ebene angeordnet ist, die durch die Spiegelung der Bearbeitungs-Ebene 45 am Umlenkspiegel 23 definiert ist. Das Target 13 ist hier beispielhaft als transparente Platte mit einem Muster aus lichtstreuenden Strukturen ausgestaltet. Strahlung vom fokussierten Strahl 32 oder vom Strahl-Anteil 36, die auf die lichtstreuenden Strukturen im Target trifft, wird gestreut und propagiert teilweise innerhalb der transparenten Platte durch Totalreflexion. Ein Teil der gestreuten Strahlung wird vom Strahlungs-Detektor 12 erfasst.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, dass in Anlagen zur generativen Fertigung eine Analyse der Energiestrahlung in der Bearbeitungs-Ebene aufgrund der nicht vorhandenen Zugänglichkeit der Bearbeitungs-Ebene während des Fertigungsprozesses eines Bauteils nicht in der ausreichenden Genauigkeit und/oder nicht mit allen Parametern möglich ist, die für eine optimale Prozess-Steuerung benötigt werden.
Dabei sind insbesondere folgende Teil-Probleme und Aufgaben zu lösen:

a. In der Bearbeitungs-Ebene und unmittelbar darüber dürfen während des Fertigungsprozesses eines Bauteils keine Komponenten oder Messmittel angeordnet werden.
b. Eine verfestigte Schicht und eine aufgetragene Schicht unverfestigtes Aufbaumaterial dürfen nicht durch auftreffende Energiestrahlung beeinträchtigt oder verändert werden.
c. Der Fertigungs-Ablauf soll durch die Bestimmung von Strahldaten möglichst nicht zeitlich verlängert werden.
d. Der Energiestrahl soll auch während eines laufenden Fertigungsprozesses erfassbar sein, und zwar mit möglichst allen in der Bearbeitungs-Ebene relevanten Eigenschaften, wie z. B. Leistung, Durchmesser, Position.

Die Erfindung findet Anwendung in Anlagen zur generativen Fertigung von Bauteilen 70, bei denen ein schichtweise auf einer Bauteil-Plattform 50 aufgetragenes Aufbaumaterial 55 mittels eines Energiestrahls 30 verfestigt wird. Die Anlage weist dazu außerdem eine Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 zur Positionierung eines Strahlfokus 35 in einer Bearbeitungsebene 45 und eine Schicht-Auftragsvorrichtung 60 auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine Strahlsperre 17, ein Strahl-Probenentnahme-Modul 20 und eine Mess-Einrichtung 10.
Die Strahlsperre 17 und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 sind verschiebbar angeordnet. Während der Verfestigung einer Schicht mit dem Energiestrahl 30 befinden sich die Strahlsperre 17 und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in einer Park-Position, die außerhalb des Raumes liegt, der durch die möglichen Strahlwege zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 definiert ist, damit die Strahlwege des auf die Bearbeitungs-Ebene 45 ausgerichteten fokussierten Laserstrahls 31, 32 nicht behindert werden. Zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums oder mehrerer Strahldaten werden die Strahlsperre 17 und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 positioniert. Dazu wird der Zeitraum vor oder nach dem Verfestigen einer Schicht genutzt. Das kann beispielsweise der Zeitraum sein, in dem mittels der Schicht-Auftragsvorrichtung eine Schicht des Aufbaumaterials 55 aufgetragen wird. Die Strahlsperre 17 stellt sicher, dass weder der zur der Durchführung einer Messung eingeschaltete Laserstrahl 30 noch ein vom Strahl-Probenentnahme-Modul 20 transmittierter, umgelenkter oder reflektierter Anteil der Strahlung auf die Bearbeitungs-Ebene 45 trifft. Die Strahlsperre 17 kann dazu im einfachsten Fall beispielsweise ein Gehäuse oder eine Platte aus nicht-transparentem Material wie Metall oder Keramik beinhalten. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 hat die Funktion, den Energiestrahl 32, der von der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 auf eine ausgewählte Bearbeitungs-Koordinate 44 ausgerichtet ist, oder zumindest einen Strahl-Anteil 36 des Energiestrahls 32 auf die Mess-Einrichtung 10 zu leiten. Dazu sind verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 vorgesehen. Weiterhin sind verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung der Mess-Einrichtung 10 und zur Ausgestaltung der Mess-Einrichtung 10 vorgesehen.
Die Mess-Einrichtung 10 kann in einer ersten vorgesehenen Ausführungsform der Erfindung mit der Strahlzuführung gekoppelt sein. Diese Anordnung der Mess-Einrichtung 10 hat in der 1 das Bezugszeichen 10a. Bei dieser Ausführungsform ist in der Strahlzuführung des Energiestrahls 30 zur Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 ein Auskoppelspiegel 15 vorgesehen, hinter dem die Mess-Einrichtung 10 angeordnet ist. Der Auskoppelspiegel 15 ist beispielsweise ein gering reflektierender Spiegel, der einen Bruchteil der Strahlung auskoppelt, die in rückwärtiger Richtung zum Energiestrahl 30 die Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 durchläuft. Der Auskoppelspiegel 15 führt die auskoppelte Strahlung zur Mess-Einrichtung 10. Die Mess-Einrichtung 10 umfasst in dieser Ausführungsform einen Strahlungs-Detektor 12 und Mittel 14 zur Fokussierung von Strahlung, wie eine Linse, ein Objektiv, ein Linsen-Array, eine Linse mit verstellbarer Brennweite, eine Fluid-Linse, eine axial verschiebbare Linse, oder ähnliches.
Bei der ersten Ausführungsform mit einer an die Strahlzuführung gekoppelten Mess-Einrichtung 10 sind viele Ausgestaltungsmöglichkeiten des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 vorgesehen, die beispielhaft in den 2 bis 9 gezeigt sind. Gemeinsames Merkmal bei diesen Ausführungsformen ist, dass das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 mindestens ein Strahlführungselement 22 aufweist mit einer zumindest teilreflektierenden sphärischen Fläche. Die sphärische Fläche kann ein beliebiger Ausschnitt einer Kugelfläche sein. Der Ausschnitt der Kugelfläche ist wenigstens so groß, dass der von der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 auf die Bearbeitungs-Koordinate 44 ausgerichtete fokussierte Strahl 32 mit seinem ganzen Querschnitt von dem Strahlführungselement 22 erfassbar ist. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 ist positionierbar in einer zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 entsprechenden Position. In dieser Position stimmt der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche des Strahlführungselements 22 entweder überein mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45, oder mit einem zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 korrespondierenden Punkt in einer zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierenden virtuellen Ebene. Die korrespondierende virtuelle Ebene kann definiert sein durch Abbildung oder Spiegelung der Bearbeitungs-Ebene 45. Wenn der fokussierte Energiestrahl oder Laserstrahl 32 exakt auf die ausgewählte Bearbeitungs-Koordinate 44 ausgerichtet ist, dann ist die Wellenfront des fokussierten Strahls 32 konzentrisch zur sphärischen Fläche des Strahlführungselements 22. Der Laserstrahl 32 wird somit in sich selbst zurückreflektiert, durchlauft die Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 rückwärts und wird nach Auskopplung durch den Auskoppelspiegel 15 auf den Detektor 12 der Mess-Einrichtung 10 abgebildet. Auf dem Detektor 12 entsteht somit ein exaktes Abbild vom Laserstrahl-Fokus 35 des fokussierten Laserstrahls 32 in der Koordinate 44. Mittels des Detektors 12 kann z. B. der Strahldurchmesser bestimmt werden. Wenn der Strahl-Fokus 35 exakt auf die Koordinate 44 ausgerichtet ist, dann ist das Bild des Strahlfokus auf dem Detektor 12 zentriert. Wenn der Strahl-Fokus 35 nur geringfügig neben der Koordinate 44 liegt, z. B. aufgrund eines Positionier-Fehlers der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 oder aufgrund eines thermischen Gradienten im Scan-Objektiv 43, dann ist die Wellenfront gegenüber der sphärischen Fläche leicht verschoben und der Strahl wird unter einem leichten Winkel zurückreflektiert. Das Bild des Strahlfokus auf dem Detektor 12 ist dann dezentriert. Aus der seitlichen Abweichung der Bildposition auf dem Detektor 12 kann somit eine Strahl-Positions-Abweichung in der Bearbeitungs-Ebene 45 bestimmt werden. Die auf diese Weise bestimmte Strahl-Positions-Abweichung kann der Prozess-Steuerung der Anlage als Korrekturwert für die Verfestigung der nächsten Schicht zur Verfügung gestellt werden.
Der Detektor 12 ist beispielsweise ein ortsauflösender, pixelbasierter Sensor wie ein CCD (charge coupled device) oder eine CMOS-Kamera.
Im einfachsten Fall der ersten Ausführungsform beinhaltet das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 ein Strahlführungselement 22 mit nur einer sphärischen Fläche. Dann muss zur Erfassung des Strahls an mehreren Bearbeitungs-Koordinaten, die sich über die ganze Bearbeitungs-Ebene 45 erstrecken, das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 in zwei Achsen parallel zur Bearbeitungs-Ebene 45 verschiebbar sein. 2 zeigt eine derartige Ausführungsform. Die beiden Koordinaten-Achsen, die die Bearbeitungs-Ebene 45 aufspannen, sind mit x und y bezeichnet.
In einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform beinhaltet das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 mehrere Strahlführungselemente 22 mit einer sphärischen Fläche oder ein Strahlführungselement 22 mit mehreren sphärischen Flächen. Jede sphärische Fläche kann mit dem zugehörigen Krümmungsmittelpunkt eine Bearbeitung-Koordinate adressieren. Die Strahlführungselemente 22 bzw. die sphärischen Flächen können zum Beispiel entlang der y-Koordinate an verschiedenen Positionen hintereinander im Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 angeordnet sein, wie in 3 dargestellt. Zur Erfassung des Strahls an mehreren über die Bearbeitungs-Ebene 45 verteilten Punkten ist es dann ausreichend, das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 entlang der anderen Achse verschiebbar anzuordnen, in diesem Fall also entlang der x-Achse.
Die Bestimmung der Strahldaten erfolgt vorzugsweise vor oder nach der Verfestigung einer einzelnen Schicht. Die Bestimmung der Strahldaten kann in dem Zeitraum erfolgen, in dem mittels der Schicht-Auftragsvorrichtung (Rakel) 60 eine Schicht neues Aufbaumaterial 55 aufgetragen wird. Typischerweise wird dazu die Schicht-Auftragsvorrichtung 60 mittels eines Antriebs und einer Führung 62 über die um eine Schichtdicke abgesenkte Bauteilplattform 50 geführt. Die Verschiebungs-Achse des Strahl-Proben-Entnahme-Moduls 20 kann parallel zur Achse der Führung 62 der Schicht-Auftragsvorrichtung 60 angeordnet sein. Die Verschiebung des Strahl-Proben-Entnahme-Moduls 20 kann mit der Bewegung der Schicht-Auftragsvorrichtung 60 gekoppelt sein. Die Kopplung kann zeitlich sein, d. h. das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 kann mittels einer eigenen Führung und eigenem Antrieb verschiebbar sein und die Verschiebung kann zeitgleich mit dem Schichtauftrag stattfinden. Die Kopplung kann auch mechanisch sein, d. h. das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 kann mit der Schicht-Auftragsvorrichtung 60 mechanisch verbunden sein. Das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 und die Strahlsperre 17 können beispielsweise „huckepack” auf oder an der Schicht-Auftragsvorrichtung 60 montiert sein.
In einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform können mehrere Strahlführungselemente 22 auch in Form eines zweidimensionalen Rasters, einer Matrix oder eines Arrays im Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 angeordnet sein. Eine derartige Variante ist in 5 dargestellt. Bei dieser Variante ist es ausreichend, das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 und die Strahlsperre 17 für die Messung zentral über der Bearbeitungs-Ebene 45 zu positionieren. Die Einrichtung zur Verschiebung des Strahl-Proben-Entnahme-Moduls 20 und der Strahlsperre 17 wird dann nur noch benötigt, um das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 und die Strahlsperre 17 aus einer Park-Position außerhalb des Bearbeitungs-Raumes in eine Mess-Position zu verschieben und kann entsprechend einfacher gestaltet sein.
Eine größere Anzahl von Punkten bzw. ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten 44 kann adressiert werden, wenn für die sphärischen Flächen der Strahlführungselemente 22 verschiedene geeignete Ausschnitte bzw. Segmente aus einer Kugelfläche verwendet werden, die nur geringfügig größer gewählt sind als der Strahlquerschnitt des fokussierten Laserstrahls 32. Die Strahlführungselemente 22 können dann dichter angeordnet werden, so dass entsprechend eine größere Anzahl von Strahlführungselementen 22 im Strahl-Probenentnahme-Modul 20 angeordnet werden können. Diese Möglichkeit ist in 6 dargestellt.
Bei dem in 7 dargestellten Aspekt einer möglichen ersten Ausführungsform sind mehrere längliche Kugelflächen-Segmente als Strahlführungselemente 22 entlang der x-Achse im Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 angeordnet. Zur Erfassung mehrerer über die Bearbeitungs-Ebene verteilter Punkte ist daher keine Verschiebung entlang der x-Achse erforderlich, sondern nur entlang der y-Achse. Dazu müssen die Kugelflächen-Segmente in der y-Richtung entsprechend ausgedehnt sein. Um die Verschiebung sinnvoll mit der Bewegung der Rakel 60 zu koppeln, ist es allerdings günstiger, wenn die Kugelflächen-Segmente in der gleichen Richtung länglich orientiert sind, in der auch die Rakel über die Bearbeitungs-Ebene 45 geführt wird, also z. B. in Richtung der x-Achse. Eine solche Ausführungsform ist in der 8 dargestellt.
In einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Flächen des oder der Strahlführungselemente 22 nicht auf die Bearbeitungs-Ebene 45 selbst ausgerichtet, sondern auf eine virtuelle, zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierende Ebene 46. Die virtuelle korrespondierende Ebene 46 kann beispielsweise durch Spiegelung an einem Umlenkspiegel 23 definiert sein. Eine derartige Ausführungsform zeigt 9. Das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 umfasst außer einem oder mehreren Strahlführungs-Elementen 22 auch einen Umlenkspiegel 23. Der Umlenkspiegel 23 hat eine zumindest teilreflektierende Fläche, an der die von der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 ausgerichteten fokussierten Strahlen 31, 32 gespiegelt werden. Die Fokus-Punkte der gespiegelten Strahlen bilden dann die virtuelle korrespondierende Ebene 46. Eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, einerseits um die Strahlsperre 17 möglichst weit entfernt von der Bearbeitungs-Ebene 45 anordnen zu können, weiterhin um die Intensität der Strahlung auf den sphärischen Flächen der Strahlführungs-Elemente 22 zu reduzieren und schließlich um die sphärischen Flächen möglichst nahe an der virtuellen korrespondierenden Ebene 46 anzuordnen, so dass die Ausschnitte der sphärischen Flächen relativ klein sein können und demzufolge eine große Anzahl von sphärischen Flächen in einem Raster angeordnet werden können und eine entsprechend große Anzahl von verschiedenen Bearbeitungs-Koordinaten 44 adressiert werden kann. 9 zeigt dafür ein Ausführungsbeispiel.
Die Mess-Einrichtung 10 kann auch an anderen Positionen angeordnet sein als an der Strahlzuführung zur Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 (entsprechend Bezugszeichen 10a in 1). Die Mess-Einrichtung 10 kann in einer zweiten Möglichkeit der Anordnung auch ein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 sein (siehe Bezugszeichen 10b in 1).
Bei der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10 gibt es ebenfalls viele Ausgestaltungsmöglichkeiten, um die Strahldaten an mehreren, zu Bearbeitungs-Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierenden Punkten zu erfassen. Die Adressierung einer Mehrzahl von Punkten kann erreicht werden durch eine Mehrzahl von Strahlungs-Detektoren 12, die in einer oder in zwei Koordinaten-Richtungen verteilt sind, oder durch eine Verschiebung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in einer oder in zwei Koordinaten-Richtungen. Beide Möglichkeiten können auch kombiniert werden, d. h. eine Mehrzahl von Detektoren kann entlang der einen Koordinaten-Richtung verteilt sein, und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann in der anderen Koordinaten-Richtung verschiebbar oder nachführbar sein. Die 10, 15, 16a, 16b, 17a, 17b und 18 zeigen dazu Ausführungsbeispiele.
Bei einer dritten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10 befindet sich die Mess-Einrichtung 10 an einer festen Position außerhalb des Bearbeitungs-Raumes, der durch die möglichen Strahlwege der fokussierten Laserstrahlen 31, 32 zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 definiert ist. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst hierbei mindestens einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Mit dem Umlenkspiegel 23 wird ein Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Laserstrahl 32 zur Mess-Einrichtung 10 geleitet. Wie bei der zweiten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10 kann auch hier die Adressierung einer Mehrzahl von Punkten erreicht werden durch eine Mehrzahl von Strahlungs-Detektoren 12 (siehe 11), durch eine Verschiebung oder Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 (siehe 13), oder durch eine Kombination beider Maßnahmen. Es kommt noch eine weitere mögliche Maßnahme hinzu, die in 14 dargestellt ist: das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln 23 umfassen, die an verschiedenen Orten unter verschiedenen Winkeln im Strahl-Probenentnahme-Modul 20 angeordnet sind, um Strahl-Anteile 36 aus den fokussierten Strahlen 31, 32, die auf verschiedene Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 ausgerichtet sind, auf einen Detektor 12 in der Mess-Einrichtung 10 zu leiten.
Eine vierte mögliche Anordnung der Mess-Einrichtung 10 ergibt sich aus der dritten Anordnung, in dem die Mess-Einrichtung 10 nicht an einer festen Position, sondern verschiebbar außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordnet ist. Diese Ausführungsform ist in 12 gezeigt. Auch damit ist es möglich, die Strahldaten an mehreren, zu Bearbeitungs-Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierenden Punkten zu erfassen.
In einer einfachen Ausführungsform der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10 ist die Mess-Einrichtung 10 Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20. Der Strahlungs-Detektor 12 der Mess-Einrichtung 10 kann ein ortsauflösender, pixelbasierter Sensor (CCD oder CMOS-Kamera) sein. In einer solchen einfachen Ausführungsform kann für die Bestimmung von Strahldaten der Laserstrahl 30 nur mit sehr geringer Leistung betrieben werden. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann deshalb weiterhin Mittel zur Strahl-Abschwächung wie teilreflektierende Spiegel, Neutraldichte-Filter, oder ähnliches aufweisen. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann auch Spiegel aufweisen, die vor dem Strahlungs-Detektor 12 angeordnet sind und den größten Teil der Strahlleistung auf einen außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordneten Strahlfänger oder Absorber leiten.
Alternativ zu einem ortsauflösenden, pixelbasierten Sensor kann der Strahlungs-Detektor 12 ein Leistungs-Messkopf sein oder als sogenannter ballistischer Detektor ausgebildet sein. Ein ballistischer Detektor beinhaltet im wesentlichen eine Strahlungsabsorbierende Fläche, die mit einem thermisch isolierten Volumen mit einer definierten Wärmekapazität gekoppelt ist, und einen Temperatursensor, der an das thermisch isolierte Volumen gekoppelt ist. Wird ein Laserpuls auf den ballistischen Detektor geschickt, bzw. der Laserstrahl für einen begrenzten Zeitraum eingeschaltet, dann führt die absorbierte Energie des Strahls zu einer Temperatur-Erhöhung des thermisch isolierten Volumens, aus der mit sehr hoher Genauigkeit die Energie des Laserstrahls und damit auch dessen Leistung bestimmt werden kann. Das Gehäuse des Leistungs-Messkopfes, des ballistischen Detektors oder des Strahl-Proben-Entnahme-Moduls 20, das den Messkopf oder den Detektor beinhaltet, kann gleichzeitig als Strahlsperre 17 ausgelegt sein. Wie in 15 dargestellt, kann das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 auch mehrere nebeneinander angeordnete Leistungs-Messköpfe oder ballistische Detektoren enthalten, die somit die Strahl-Leistung an mehreren zu Bearbeitungs-Koordinaten 44 korrespondierenden Punkten bestimmen können. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann mit der Bewegung der Schicht-Auftrags-Vorrichtung 60 gekoppelt werden. Auf diese Weise kann relativ kompakt und einfach die Strahl-Leistung an mehreren, über die ganze Bearbeitungs-Ebene 45 verteilten Punkten bzw. Bearbeitungs-Koordinaten 44 bei jedem Schicht-Aufbau-Zyklus während des Fertigungs-Prozesses eines Bauteils 70 gemessen werden, ohne die Zyklus-Dauer und damit die Gesamt-Fertigungszeit zu erhöhen. Die gemessenen Leistungswerte können an die übergeordnete Prozess-Steuerung übermittelt werden und zur Anpassung der Laser-Parameter bei der nachfolgen Schicht-Verfestigung verwendet werden.
In einer weiteren Möglichkeit der Ausgestaltung kann die Mess-Einrichtung 10 zusätzlich zu einem Strahlungs-Detektor 12 ein Target 13 beinhalten. Das Target 13 ist eine Platte mit speziellen Bereichen, in denen sich die Wechselwirkung mit Strahlung bezüglich Reflexion, Transmission, Absorption oder Streuung vom Rest der Platte unterscheidet. Das Target 13 kann beispielsweise eine Lochraster-Platte aufweisen. Die Platte kann außerdem strahlführende Eigenschaften durch Totalreflexion an den Grenzflächen der Platte besitzen. Das Target 13 kann auch als transparente Platte mit einem Muster aus lichtstreuenden Strukturen ausgestaltet sein. Der Strahlungs-Detektor 12 kann bei diesen Ausführungsformen zum Beispiel eine Photodiode sein, die in der Umgebung des Targets 13 angeordnet ist und einen Teil des Streulichts erfasst, dass durch Reflexion, Transmission oder Streuung erzeugt wird, wenn Strahlung vom fokussierten Strahl 32 oder vom Strahl-Anteil 36 auf die lichtstreuenden Strukturen oder auf die speziellen Bereiche im Target 13 trifft. Die lichtstreuenden Strukturen oder die speziellen Bereiche können beispielsweise im Wesentlichen punktförmig oder linienförmig ausgebildet sein. Zur Bestimmung von Strahldaten wird eine Relativ-Bewegung zwischen dem fokussierten Strahl 32 oder dem Strahl-Anteil 36 und dem Target 13 erzeugt. Die Relativ-Bewegung kann durch Ausrichten des Strahls mit der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40, mit der Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20, oder mit einer Verschiebung der Mess-Einrichtung 10 erzeugt werden. Aus dem Signal des Strahlungs-Detektors 12 kann beispielsweise ein Strahldurchmesser ermittelt werden. 18 zeigt dazu eine mögliche Ausführungsform, bei der das Target 13 in einer virtuellen Ebene angeordnet ist, die durch die Spiegelung der Bearbeitungs-Ebene 45 an einem Umlenkspiegel 23 definiert ist.
Bei der Ausgestaltung der Erfindung können auch mehrere Mess-Einrichtungen 10 kombiniert eingesetzt werden. Für die Bestimmung von ortsaufgelösten Parameter wie dem Strahldurchmesser oder einer Strahl-Positions-Abweichung wird in der Regel nur ein Bruchteil der Strahlleistung benötigt. Dazu wird in den beschriebenen Anordnungen mittels eines Strahlführungselements 22 oder mittels eines Umlenkspiegels 23 meist nur ein sehr geringer Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Strahl 32 auf die Mess-Einrichtung 10 geleitet. Der Haupt-Anteil der Strahlung wird dann von der Strahlsperre 17 gestoppt. Es ist daher auch vorgesehen, eine zweite Mess-Einrichtung zusätzlich zur Mess-Einrichtung 10 an der Strahlsperre 17 oder am Strahl-Probenentnahme-Modul 20 anzuordnen. Die zweite Mess-Einrichtung kann beispielsweise zwischen einem Strahlführungselement 22 oder einem Umlenkspiegel 23 und der Strahlsperre 17 angeordnet sein und ist zusammen mit der Strahlsperre 17 und dem Strahl-Probenentnahme-Modul 20 verschiebbar. Die zweite Mess-Einrichtung kann insbesondere als Leistungs-Messkopf oder als sogenannter ballistischer Detektor ausgebildet sein. Es ist auch vorgesehen, das die als Leistungs-Messkopf oder als ballistischer Detektor ausgebildete zweite Mess-Einrichtung gleichzeitig die Strahlsperre 17 bildet.
Die vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen weisen aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Merkmale eine Reihe von Vorteilen auf:

– Es können die Strahl-Eigenschaften Positions-bezogen erfasst werden, die der Strahl an verschiedenen Bearbeitungs-Position aufweist, obwohl nicht in der Bearbeitungs-Ebene selbst gemessen wird.
– Die Strahldaten können quasi-online, d. h. während des laufenden Fertigung-Prozesses, ermittelt werden und zur Prozess-Regelung und/oder zur laufenden Nach-Kalibrierung verwendet werden.
– Es brauchen keine Komponenten der Vorrichtung oder Messmittel in der Bearbeitungs-Ebene oder im Bereich unmittelbar über der Bearbeitungs-Ebene platziert zu werden.
– Der Bauteil-Bereich und das Aufbaumaterial werden bei der Bestimmung der Strahldaten nicht von Strahlung getroffen.
– Der Prozess-Ablauf braucht nicht verändert zu werden.
– Die Fertigungs-Dauer wird nicht erhöht.
– Die Vorrichtung kann in bestehende Anlagen für generative Fertigung nachgerüstet werden.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen. Bei der Ausgestaltung der Mess-Einrichtung 10 beispielsweise können weitere übliche, dem Fachmann bekannte Maßnahmen und Techniken genutzt werden, um unterschiedliche Strahldaten und Strahl-Parameter zu bestimmen. Es können z. B. auch Einrichtungen zur Bestimmung einer Strahl-Kaustik verwendet werden. Dazu kann beispielsweise der Detektor 12 oder die Mittel zur Fokussierung 14 axial verschiebbar gelagert sein, um den Strahl längs seiner Achse in mehreren Querschnitten abzutasten.
Bezugszeichenliste

10: Mess-Einrichtung
10a: Mess-Einrichtung, an Strahlzuführung gekoppelt
10b: Mess-Einrichtung, integriert in Strahl-Probenentnahme-Modul
10c: Mess-Einrichtung, außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordnet
12: Strahlungs-Detektor
13: Target
14: Mittel zur Fokussierung
15: Auskoppelspiegel
17: Strahlsperre
20: Strahl-Probenentnahme-Modul
22: Strahlführungselement
23: Umlenkspiegel
30: Laserstrahl (Energiestrahl)
31: Fokussierter Laserstrahl
32: Fokussierter Laserstrahl
35: Laserstrahl-Fokus
36: Strahl-Anteil
40: Strahl-Ablenk-Einrichtung
42: Scanner-Spiegel
43: Scan-Objektiv
44: Koordinaten-Punkt in Bearbeitungs-Ebene
45: Bearbeitungs-Ebene
46: korrespondierende virtuelle Ebene
50: Bauteilplattform
51: Reservoir für Aufbaumaterial
52: Reservoir für überschüssiges Aufbaumaterial
55: Aufbaumaterial
60: Schicht-Auftragsvorrichtung (Rakel)
62: Führung und Antrieb für Rakel
70: Bauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4112695 C3 [0004]
DE 102007062129 B3 [0005]
DE 102012221218 A1 [0006]
EP 0792481 B1 [0007]
US 6501061 B1 [0008]
DE 102011006553 A1 [0008]
EP 2280816 B1 [0009]

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums in einer Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen (70) mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials (55) durch einen Energiestrahl (30), mit einer Strahl-Ablenk-Einrichtung (40), einer Bearbeitungs-Ebene (45) und einer Schicht-Auftragsvorrichtung (60), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Positionieren einer Strahlsperre (17) im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45), b) Positionieren eines Strahl-Probenentnahme-Moduls (20) im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45), c) Ausrichten der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) auf die ausgewählte Bearbeitungskoordinate (44), d) Einschalten des Strahls (30) für einen begrenzten Zeitraum, e) Leiten mindestens eines Anteils des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) ausgerichteten Strahls (32) zu einer Mess-Einrichtung (10) mit einem Strahlungs-Detektor (12), f) Bestimmen mindestens eines Strahldatums mittels der Mess-Einrichtung (10), – wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) beabstandet zur Bearbeitungsebene (45) positioniert werden, und – wobei die Verfahrensschritte a) bis f) während eines Produktions-Prozesses des Bauteils (70) in einem Zeitraum vor oder nach der Verfestigung einer einzelnen Schicht des Bauteils (70) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein mittels der Mess-Einrichtung (10) bestimmtes Strahldatum oder ein daraus abgeleiteter Wert an eine Prozess-Steuerungs-Einheit übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verfahrensschritte a) bis f) im Wesentlichen während des Auftragens einer Schicht des Aufbaumaterials (55) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) in einer zu der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) entsprechenden Position positioniert wird und die entsprechende Position in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y, welche die Bearbeitungs-Ebene (45) aufspannen, mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) übereinstimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Positionieren der Strahlsperre (17) und das Positionieren des Strahl-Probenentnahme-Moduls (20) mit der Bewegung der Schicht-Auftragsvorrichtung (60) gekoppelt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) nacheinander auf eine Mehrzahl von verschiedenen ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45) ausgerichtet wird und bei jeder der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten (44) die Bestimmung mindestens eines Strahldatums durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die bestimmten Strahldaten zur Kalibration der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Bestimmung von Strahldaten für eine Mehrzahl von verschiedenen ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten (44) im Wesentlichen während eines einzelnen Schicht-Auftrags-Vorgangs durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Bestimmung mindestens eines Strahldatums die Bestimmung von einem oder mehreren der folgenden Parameter umfasst: Strahlleistung, Strahlenergie, Strahlintensität, Strahldurchmesser, Strahlposition in der Bearbeitungs-Ebene, Abweichung der Strahlposition zur ausgewählten Koordinate, axiale Fokusposition, Abweichung der axialen Fokusposition von der Bearbeitungs-Ebene, Strahl-Ablenkgeschwindigkeit.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Prozess zur generativen Fertigung eines Bauteils mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbau-Materials, wobei die Bestimmung von Strahldaten entweder vor jedem Aufbau einer einzelnen Schicht durchgeführt wird oder zumindest regelmäßig nach Aufbau einer Mehrzahl von Schichten vor dem Aufbau der nächsten Mehrzahl von Schichten durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums in einer Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen (70) mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials (55) durch einen Energiestrahl (30), mit einer Strahl-Ablenk-Einrichtung (40), einer Bearbeitungs-Ebene (45) und einer Schicht-Auftragsvorrichtung (60), umfassend eine Strahlsperre (17), ein Strahl-Probenentnahme-Modul (20) und eine Mess-Einrichtung (10), – wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) verschiebbar angeordnet sind, – wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) positionierbar sind im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45), – wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) in jeder möglichen Positionierung beabstandet zur Bearbeitungs-Ebene (45) sind, – wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) eingerichtet ist zum Leiten mindestens eines Anteils des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) ausgerichteten Strahls (32) zur Mess-Einrichtung (10), und – wobei die Mess-Einrichtung (10) einen Strahlungs-Detektor (12) umfasst und eingerichtet ist zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) in einer zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) entsprechenden Position positionierbar ist und die entsprechende Position in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y, welche die Bearbeitungs-Ebene (45) aufspannen, mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) übereinstimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) mit einer Weglängen-Mess-Einrichtung gekoppelt ist zur Erfassung einer Position des Strahl-Probenentnahme-Moduls (20) in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Mess-Einrichtung (10) angeordnet ist hinter einem Auskoppelspiegel (15), der in der Strahlführung des Energiestrahls (30) zur Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) angeordnet ist zur Auskopplung von Strahlung, die vom Strahl-Probenentnahme-Modul (20) in die Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) zurückreflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) mindestens ein Strahlführungselement (22) mit einem Segment einer teilreflektierenden sphärischen Fläche umfasst und wobei ein Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche positionierbar ist an der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) oder an einem zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate korrespondierenden Punkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) die Mess-Einrichtung (10) umfasst und die Mess-Einrichtung (10) zusammen mit dem Strahl-Probenentnahme-Modul (20) positionierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Mess-Einrichtung (10) angeordnet ist außerhalb eines Bearbeitungs-Raumes, der durch die möglichen Strahlwege zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und der Bearbeitungs-Ebene (45) definiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) mindestens ein Strahlführungselement (22) oder mindestens einen Umlenkspiegel (23) mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) mittels einer Linear-Führung, die parallel zur Bearbeitungs-Ebene (45) ausgerichtet ist, aus einer Park-Position außerhalb der Strahlwege heraus zu mindestens einer Position im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45) verschiebbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei ein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls (20) gleichzeitig als Strahlsperre (17) ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) mit der Schicht-Auftragsvorrichtung (60) gekoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, wobei die Mess-Einrichtung (10) eingerichtet ist zur Bestimmung von einem oder mehreren der folgenden Parameter: Strahlleistung, Strahlenergie, Strahlintensität, Strahldurchmesser, Strahlposition in der Bearbeitungs-Ebene, Abweichung der Strahlposition zur ausgewählten Koordinate, axiale Fokusposition, Abweichung der axialen Fokusposition von der Bearbeitungs-Ebene, Strahl-Ablenkgeschwindigkeit.