DE102016209065A1 - Method and device for process monitoring in the additive manufacturing of components - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prozessüberwachung bei der generativen Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials mittels energetischer Strahlung. Bei dem Verfahren werden mit einer strahlungsempfindlichen Sensoranordnung jeweils vor und/oder nach einem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials Daten wenigstens eines für die Verfestigung des Aufbaumaterials genutzten Bereiches der Bearbeitungsfläche aufgezeichnet. Die Aufzeichnung der Daten erfolgt mit wenigstens einem Zeilensensor als strahlungsempfindlicher Sensoranordnung, der über die Bearbeitungsfläche bewegt wird. Das Verfahren ermöglicht die Aufzeichnung von Bilddaten mit hoher Auflösung und hohen Messraten ohne Störungen durch die Prozessemission und ohne zusätzliche Nebenzeiten.The present invention relates to a method and a device for process monitoring in the generative production of components by stratified solidification of a building material by means of energetic radiation. In the method, data of at least one area of the processing area used for solidifying the building material is recorded with a radiation-sensitive sensor arrangement before and / or after application of a new layer of the building material. The recording of the data takes place with at least one line sensor as the radiation-sensitive sensor arrangement which is moved over the processing surface. The method enables the recording of image data with high resolution and high measurement rates without interference from the process emission and without additional non-productive time.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessüberwachung bei der generativen Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials mittels energetischer Strahlung, bei dem mit einer strahlungsempfindlichen Sensoranordnung jeweils vor und/oder nach einem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials auf eine Bearbeitungsfläche Daten wenigstens eines für die Verfestigung des Aufbaumaterials genutzten Bereiches der Bearbeitungsfläche aufgezeichnet werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur generativen Fertigung von Bauteilen, mit der das Verfahren genutzt werden kann. The present invention relates to a method for process monitoring in the generative production of components by layerwise solidification of a building material by means of energetic radiation, in which with a radiation-sensitive sensor array before and / or after applying a new layer of building material on a processing surface data at least one of the Solidification of the building material used area of the processing surface are recorded. The invention also relates to a device for the additive production of components with which the method can be used.
Die generative Fertigung bietet mit ihren nahezu unbeschränkten geometrischen Freiheitsgraden, den vollständigen Verzicht auf formgebende Werkzeuge und einer Materialausnutzung von nahezu 100% die Möglichkeit, individuelle Produkte ressourcen- und energieeffizient zu fertigen. Eines der am weitesten verbreiteten Verfahren der generativen Fertigung von Metallbauteilen (auch Keramiken) ist das selektive Laserschmelzen (SLM: Selective Laser Melting), bei dem die Bauteile durch schichtweise Verfestigung eines pulverförmigen Aufbaumaterials auf einer Bauplattform aufgebaut werden. Generative production with its almost unlimited geometrical degrees of freedom, the complete absence of forming tools and material utilization of almost 100% offers the possibility of manufacturing individual products in a resource- and energy-efficient manner. One of the most widely used methods of additive manufacturing of metal components (also ceramics) is the selective laser melting (SLM: Selective Laser Melting), in which the components are built up by layer-wise solidification of a powdered building material on a building platform.
Durch den schichtweisen Aufbau direkt aus CAD-Daten können mittels SLM hochkomplexe Bauteile aus metallischen Serienwerkstoffen ohne formgebende Werkzeuge produziert werden, die mit konventionellen Fertigungstechniken wie Gießen oder Zerspanen nicht herstellbar sind. Da bisherige fertigungsbedingte Restriktionen entfallen, können völlig neue Bauteile mit innovativen Funktionalitäten realisiert werden. The layered construction directly from CAD data enables SLM to produce highly complex components from metallic series materials without forming tools that can not be produced using conventional production techniques such as casting or machining. Since existing production-related restrictions are eliminated, completely new components with innovative functionalities can be realized.
Der Ausgangswerkstoff für den SLM-Prozess liegt in pulvriger Form vor. Er wird in einer geschlossenen Prozesskammer als dünne Schicht (ca. 15 bis 200 μm) auf einer Substratplatte, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Bauplattform bezeichnet, aufgebracht. Entsprechend der berechneten Flächen des CAD-Modells wird das Pulver durch lokalen Wärmeeintrag mit dem Laserstrahl selektiv aufgeschmolzen. Danach wird die Substratplatte abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen. Die nächste Schicht wird wieder mit Laserstrahlung selektiv aufgeschmolzen und schmelzmetallurgisch mit der unteren Schicht verbunden. Auf diese Weise entsteht das maßgeschneiderte Bauteil schichtweise aus dem pulverförmigen Aufbaumaterial. Durch selektives Laserschmelzen gefertigte Bauteile zeichnen sich durch große Bauteildichten (> 99%) aus. Dies gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils weitgehend denen des Grundwerkstoffs entsprechen. Für den Bereich der Metallverarbeitung ist dieses Verfahrensprinzip zum Teil auch unter anderen Namen, wie beispielsweise DMLS (Direct Metal Laser Sintering), LaserCUSING® oder Laser Metal Fusion bekannt. The starting material for the SLM process is in powder form. It is applied in a closed process chamber as a thin layer (about 15 to 200 microns) on a substrate plate, referred to in the present patent application as a construction platform. According to the calculated surfaces of the CAD model, the powder is selectively melted by local heat input with the laser beam. Thereafter, the substrate plate is lowered and applied a new powder layer. The next layer is selectively reflowed with laser radiation and fusion metallurgically bonded to the lower layer. In this way, the customized component is produced in layers from the powdered building material. Components produced by selective laser melting are characterized by large component densities (> 99%). This ensures that the mechanical properties of the generatively produced component largely correspond to those of the base material. In the field of metal processing, this process principle is partly known by other names, such as DMLS (Direct Metal Laser Sintering), LaserCUSING ® or laser metal fusion.
Allerdings ist es bisher nicht gelungen, das Potential der generativen Fertigung in größerem Umfang als Fertigungsverfahren für funktionale Bauteile zu nutzen. Dies ist im Wesentlichen auf eine bisher fehlende Qualitätssicherung und -kontrolle bei der generativen Fertigung zurückzuführen, die bewirkt, dass Fehler wie beispielsweise unzureichende Pulverzufuhr, Poren- und Bindefehler im Bauteil, Verzug des Bauteils oder Fehlstellen an Überhängen, während des mitunter mehrere Stunden dauernden Produktionsprozesses nicht detektiert werden können. Die auftretenden Fehler sind in der Regel geometrieabhängig, weshalb eine generelle Vermeidung der Fehler durch Verbesserungen der Prozessführung nicht möglich ist. Darüber hinaus können diese Fehler während des gesamten Prozesses an verschiedensten Stellen im Bauteil entstehen und sind somit erst nach der Fertigstellung mit aufwändigen Prüfmethoden wie beispielsweise der Computertomographie detektierbar. Dies gilt auch für Fälle, bei denen der Fehler bereits in den ersten Schichten entstanden ist, da der bereits verfestigte bzw. aufgebaute Teil während des Fertigungsprozesses durch das umgebende Pulverbett verborgen ist. So ist es in der Regel notwendig, dass zumeist mehrere Versuche unternommen werden, bis eine neue, bisher unbekannte Geometrie fehlerfrei gefertigt werden kann. Dies ist für die Einzel- und Kleinserienfertigung nicht akzeptabel. Ebenso ist es bis heute sehr aufwändig, die Qualität der generativ gefertigten Bauteile zu sichern und zu dokumentieren. Insbesondere bei lasttragenden Strukturen im Bereich der Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik ist dies ein Ausschlusskriterium bei der Auswahl geeigneter Fertigungsverfahren. However, it has not yet been possible to exploit the potential of generative manufacturing to a greater extent than manufacturing processes for functional components. This is mainly due to the lack of quality assurance and control in generative production, which causes errors such as insufficient powder supply, pore and binding defects in the component, distortion of the component or defects on overhangs during the sometimes several hours of production process can not be detected. As a rule, the errors that occur are geometry-dependent, which is why a general avoidance of errors through improvements in the process control is not possible. In addition, these errors can occur during the entire process at various points in the component and are therefore detectable only after completion with complex test methods such as computed tomography. This also applies to cases in which the defect has already arisen in the first layers, since the already solidified or built-up part is concealed by the surrounding powder bed during the manufacturing process. So it is usually necessary that in most cases several attempts are made until a new, previously unknown geometry can be manufactured without errors. This is not acceptable for single and small batch production. Likewise, it is still very time-consuming to secure and document the quality of the generatively manufactured components. Especially with load-bearing structures in the field of aerospace or medical technology, this is an exclusion criterion in the selection of suitable manufacturing processes.
Stand der TechnikState of the art
In Industrie und Forschung werden unterschiedliche Ansätze zur Qualitätssicherung verfolgt. Hierbei kann zwischen zwei Ansätzen in Bezug auf die Sensorintegration unterschieden werden, zum einen der Off-Axis-Aufbau und zum anderen der On-Axis-Aufbau. Bei der Off-Axis-Lösung wird der gesamte Bauraum von dem Sensorsystem erfasst und überwacht. Das Sensorsystem kann dabei innerhalb oder außerhalb der Prozesskammer angeordnet sein. Bei der On-Axis-Lösung ist der Sensor in den Bearbeitungskopf integriert und erfasst die Bearbeitungsfläche koaxial zum Strahlengang des Bearbeitungslasers. Hierdurch kann die Bearbeitungszone mit dem Schmelzbad auf dem Sensor abgebildet werden. Bei beiden Ansätzen kann die Überwachung schichtweise erfolgen, so dass zum Ende der Bearbeitung 3D-Informationen zur Bauteilentstehung vorliegen. In industry and research different approaches to quality assurance are pursued. Here, a distinction can be made between two approaches with regard to the sensor integration, on the one hand the off-axis construction and on the other hand the on-axis construction. In the off-axis solution, the entire installation space is detected and monitored by the sensor system. The sensor system can be arranged inside or outside the process chamber. In the on-axis solution, the sensor is integrated in the machining head and detects the machining surface coaxially with the beam path of the machining laser. As a result, the processing zone can be imaged with the molten bath on the sensor. In both approaches, the monitoring can be done in layers, so that the end of Machining 3D information on component formation is available.
Der On-Axis-Aufbau beruht auf einer koaxialen Anordnung der Sensoren, wie Kameras und Fotodioden, zur Bearbeitungsachse des Bearbeitungslaserstrahls. Die Sensoren nutzen dabei zum Teil den gleichen optischen Strahlengang wie der Bearbeitungslaser. Ein Beispiel für einen derartigen Aufbau findet sich in der Veröffentlichung von
Ein Beispiel für einen Off-Axis-Aufbau zur Überwachung des Pulverauftrags findet sich in der Veröffentlichung von
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prozessüberwachung bei der generativen Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials mittels energetischer Strahlung anzugeben, bei denen Bilddaten jeder aufgetragenen Schicht mit hoher Auflösung und hoher Messrate ohne Störungen durch Prozessemissionen zur Prozessüberwachung aufgezeichnet werden können. The object of the present invention is to provide a method and a device for process monitoring in the generative production of components by layerwise solidification of a building material by means of energetic radiation in which recorded image data of each layer applied with high resolution and high measuring rate without interference from process emissions for process monitoring can be.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. The object is achieved with the method and the device according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden mit einer strahlungsempfindlichen Sensoranordnung und gegebenenfalls mittels einer geeigneten Abbildungsoptik jeweils vor und/oder nach dem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials auf die Bearbeitungsfläche Daten wenigstens eines für die Verfestigung des Aufbaumaterials genutzten Bereiches der Bearbeitungsfläche aufgezeichnet, aus denen bei Bedarf ein Bild dieses Bereiches erstellt werden kann. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufzeichnung dieser Daten mit wenigstens einem Zeilensensor als strahlungsempfindlicher Sensoranordnung erfolgt, der über die Bearbeitungsfläche bewegt wird. Die Bearbeitungsfläche stellt dabei jeweils vor dem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials die Oberfläche des zuletzt aufgetragenen und zum Teil verfestigten Aufbaumaterials und nach dem Auftrag einer neuen Schicht die Oberfläche dieser neuen Schicht dar. Unter dem für die Verfestigung des Aufbaumaterials genutzten Bereich ist hierbei der Bereich der Bearbeitungsfläche zu verstehen, den das Bauteil für den Aufbau benötigt, im Folgenden auch als Aufbaubereich bezeichnet.In the proposed method, with a radiation-sensitive sensor arrangement and optionally by means of a suitable imaging optics before and / or after the application of a new layer of building material on the processing surface data recorded at least one used for the consolidation of the building material area of the processing surface, from which a if necessary Image of this area can be created. The method is characterized in that the recording of this data takes place with at least one line sensor as a radiation-sensitive sensor arrangement which is moved over the processing surface. The working surface represents the surface of the last applied and partially solidified build material before applying a new layer of the build material and after the application of a new layer the surface of this new layer. Below the area used for the consolidation of the build material is the area the processing surface that the component requires for the construction, also referred to below as the construction area.
Mit diesem Verfahren lässt sich wie bei den bekannten Verfahren des Standes der Technik lagen- bzw. schichtweise der gesamte Aufbau des Bauteils dokumentieren. Hierzu wird von jeder einzelnen Schicht vor und/oder nach der Verfestigung durch Bewegung des Zeilensensors über die Bearbeitungsfläche vorzugsweise ein Bild erstellt. Die Bewegung erfolgt dabei parallel zur Bearbeitungsfläche. Mittels einer geeigneten Abbildungsoptik wird dabei die Oberfläche der jeweils neu aufgetragenen und/oder gerade verfestigten Schicht auf den Zeilensensor abgebildet. Durch die kontinuierliche Bewegung oder Überfahrt des Zeilensensors über den Aufbaubereich der Bearbeitungsfläche kann über die Aufnahmerate des Zeilensensors ein Bild des gesamten Aufbaubereiches oder auch der gesamten Bearbeitungsfläche erzeugt werden. Damit können zwei wesentliche Vorteile erreicht werden. Zum einen kann der Zeilensensor in sehr geringem Abstand von vorzugsweise ≤ 400 mm über der Bearbeitungsfläche angeordnet und synchron zum Schichtauftrag über die Bearbeitungsfläche bewegt werden, ohne dass es zu einer Kollision oder Störung mit oder durch den Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials kommt. Dadurch kann eine sehr hohe Auflösung der Daten bzw. des jeweiligen Bildes erreicht werden. Zum anderen wird durch diese Anordnung die Aufnahme von Daten des gesamten Aufbaubereiches oder der gesamten Bearbeitungsfläche ohne den Einfluss von Prozessemissionen ermöglicht. Durch Erfassen der jeweiligen Daten während des Auftrags einer jeweils neuen Schicht entstehen für die Datenaufnahme keine zusätzlichen Wartezeiten. Das Verfahren ermöglicht dadurch, den gesamten Aufbau des Bauteils in 3D durch eine schichtweise Analyse in sehr hoher Auflösung zu dokumentieren, ohne zusätzliche Nebenzeiten zu generieren. With this method, it is possible to document the entire structure of the component in layers or layers as in the known methods of the prior art. For this purpose, an image is preferably created of each individual layer before and / or after solidification by movement of the line sensor over the processing surface. The movement takes place parallel to the processing surface. By means of a suitable imaging optics, the surface of the respectively newly applied and / or just solidified layer is imaged onto the line sensor. As a result of the continuous movement or passage of the line sensor over the construction area of the processing area, an image of the entire building area or of the entire processing area can be generated via the take-up rate of the line sensor. Thus, two major advantages can be achieved. For one thing, the Line sensor arranged at a very short distance of preferably ≤ 400 mm above the working surface and moved synchronously with the layer over the working surface, without causing a collision or interference with or by the application of a new layer of building material. As a result, a very high resolution of the data or the respective image can be achieved. On the other hand, this arrangement allows the acquisition of data of the entire construction area or the entire processing area without the influence of process emissions. By capturing the respective data during the order of a new layer, there are no additional waiting times for the data acquisition. As a result, the process enables the entire structure of the component to be documented in 3D by means of a layer-by-layer analysis in very high resolution, without generating additional non-productive time.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird der wenigstens eine Zeilensensor synchron zur Auftragseinrichtung für den schichtweisen Auftrag des Aufbaumaterials über die Bearbeitungsfläche bewegt. Vorzugsweise erfolgt diese Bewegung, indem der wenigstens eine Zeilensensor an der Auftragseinrichtung selbst befestigt wird, so dass mit der Bewegung dieser Auftragseinrichtung zum Auftrag der neuen Schicht auch der Zeilensensor zur Datenaufnahme über die Bearbeitungsfläche bewegt wird. In a preferred embodiment of the proposed method, the at least one line sensor is moved synchronously with the application device for the layered application of the building material over the processing surface. Preferably, this movement is carried out by the at least one line sensor is attached to the applicator itself, so that with the movement of this applicator for applying the new layer and the line sensor is moved to the data recording on the processing surface.
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung lassen sich bei allen generativen Fertigungsverfahren einsetzen, bei denen der Aufbau des Bauteils durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials mittels energetischer Strahlung erfolgt, wobei das Aufbaumaterial bzw. der für den Aufbau erforderliche Werkstoff schicht- bzw. lagenweise zugeführt wird. Dies kann ein pulverförmiger Werkstoff sein, der beispielsweise über einen geeigneten Schieber auf der Bearbeitungsfläche verteilt wird. Neben dem SLM-Verfahren gehören dazu auch ähnliche Verfahren für Kunststoffe sowie Verfahren zum Lasersintern. Das Verfahren eignet sich auch für Fertigungstechniken, bei denen das Aufbaumaterial in flüssiger Form lagen- bzw. schichtweise zugeführt wird. Neben diesen Verfahren, die zur schichtweisen Verfestigung Laserstrahlung als energetische Strahlung einsetzen, eignen sich das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung auch für generative Fertigungstechniken, die andere Arten energetischer Strahlung, beispielsweise Elektronenstrahlen, zur schichtweisen Verfestigung des Aufbaumaterials einsetzen.The proposed method and the associated device can be used in all generative manufacturing processes in which the construction of the component takes place by stratified solidification of a building material by means of energetic radiation, wherein the building material or the material required for the structure layer or is supplied in layers. This may be a powdery material which is distributed over the processing surface, for example via a suitable slider. In addition to the SLM process, this also includes similar processes for plastics and methods for laser sintering. The method is also suitable for production techniques in which the building material in layers or layer by layer is supplied in liquid form. In addition to these methods, which use laser radiation as energetic radiation for stratified solidification, the proposed method and the associated apparatus are also suitable for additive manufacturing techniques which use other types of energetic radiation, for example electron beams, for the layered solidification of the building material.
Die für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung umfasst wenigstens eine Bauplattform, eine Auftragseinrichtung zum schichtweisen Auftrag des Aufbaumaterials auf eine Bearbeitungsfläche über der Bauplattform, eine Führungseinrichtung für die energetische Strahlung und eine strahlungsempfindliche Sensoranordnung, mit der wenigstens ein für die Verfestigung des Aufbaumaterials genutzter Bereich der Bearbeitungsfläche erfasst werden kann. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoranordnung wenigstens einen Zeilensensor umfasst, der mit einer mechanischen Bewegungseinrichtung verbunden ist, die den Zeilensensor zur Erfassung des Aufbaubereiches über die Bearbeitungsfläche bewegt. The device designed for carrying out the method comprises at least one construction platform, an application device for coating the build-up material on a processing surface above the build platform, a guide device for the energetic radiation and a radiation-sensitive sensor arrangement, with the at least one used for the solidification of the building material area of Machining surface can be detected. The device is characterized in that the sensor arrangement comprises at least one line sensor which is connected to a mechanical movement device which moves the line sensor over the processing surface to detect the construction area.
Die mechanische Bewegungseinrichtung kann dabei speziell für die Bewegung des Zeilensensors über die Bearbeitungsfläche ausgebildet sein, beispielsweise unter Nutzung einer Linearachse oder auch eines Schwenkarms. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird für die Bewegung des Zeilensensors jedoch die mechanische Bewegungseinrichtung genutzt, mit der die Auftragseinrichtung für den Auftrag des Aufbaumaterials über die Bearbeitungsfläche geführt wird. Der Zeilensensor ist bei dieser Ausgestaltung dann direkt an er Auftragseinrichtung befestigt. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass die Bewegung des Zeilensensors und damit auch die Bildaufzeichnung automatisch synchron zur Bewegung der Auftragseinrichtung erfolgt, so dass keine zusätzlichen Messfahrten oder Wartezeiten entstehen. Der wenigstens eine Zeilensensor ist dabei vorzugsweise in Bewegungsrichtung der Auftragsvorrichtung beim Schichtauftrag vor der Auftragsvorrichtung angeordnet. Mit dieser Anordnung lässt sich dann beispielsweise bei der Hinfahrt der Auftragseinrichtung zum Schichtauftrag ein Bild der bereits bearbeiteten bzw. teilweise verfestigten Schicht und/oder bei der Rückfahrt ein Bild der neu aufgetragenen Schicht erstellen. The mechanical movement device can be designed specifically for the movement of the line sensor on the processing surface, for example, using a linear axis or a swing arm. In a preferred embodiment, however, the mechanical movement device is used for the movement of the line sensor, with which the application device for the order of the building material is guided over the processing surface. The line sensor is then attached directly to this application device in this embodiment. This offers the particular advantage that the movement of the line sensor and thus also the image recording takes place automatically synchronously with the movement of the application device, so that no additional measuring runs or waiting times occur. The at least one line sensor is preferably arranged in the direction of movement of the application device during the layer application in front of the application device. With this arrangement, it is then possible to create an image of the already processed or partially solidified layer, for example, during the outward journey of the application device for coating, and / or to create an image of the newly applied layer on the return journey.
Bei der Führungseinrichtung für die energetische Strahlung kann es sich um eine feste Führungseinrichtung handeln, die beispielsweise eine Projektion der energetischen Strahlung auf die Bearbeitungsfläche erzeugt, oder auch um eine dynamische Führungseinrichtung, beispielsweise eine Scaneinrichtung, mit der ein oder mehrere Bearbeitungsstrahlen über die Bearbeitungsfläche geführt werden. Die Bauplattform ist in der Regel absenkbar oder anhebbar ausgebildet. Ein Auftrag einer Schicht „über“ der Bauplattform ist in der vorliegenden Patentanmeldung nicht zwangsläufig relativ zur Gravitationsrichtung zu verstehen, sondern bezieht sich vielmehr auf die Aufbaurichtung relativ zur Bauplattform.The guide device for the energetic radiation may be a fixed guide device which generates, for example, a projection of the energetic radiation onto the processing surface, or also a dynamic guide device, for example a scanning device, with which one or more processing beams are guided over the processing surface , The construction platform is usually formed lowerable or liftable. An application of a layer "over" the build platform is not necessarily to be understood in the present patent application relative to the direction of gravity, but rather refers to the construction direction relative to the build platform.
Bei einer synchron zur Auftragseinrichtung durchgeführten oder an die Auftragseinrichtung gekoppelten Bewegung des Zeilensensors über die Bearbeitungsfläche sind zur Erreichung einer hohen Auflösung auch hohe Aufnahmeraten von beispielsweise 10 kHz erforderlich. Um diese hohen Zeilenfrequenzen mit entsprechenden Belichtungszeiten umzusetzen, kann eine zusätzliche Beleuchtung des beobachteten Bereiches erforderlich sein. Vorzugsweise erfolgt diese Beleuchtung durch wenigstens eine Zeile geeigneter strahlungsemittierender Bauelemente, die parallel zum Zeilensensor angeordnet und ebenfalls mit der mechanischen Bewegungseinrichtung verbunden ist. Für diese Beleuchtung können beispielsweise Bauelemente wie LEDs, Laserdioden oder VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) eingesetzt werden, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und Leistungen emittieren können. Der wenigstens eine Zeilensensor kann bspw. für die Erfassung des sichtbaren Spektralbereiches oder auch für die Erfassung von Wärmebildern ausgebildet sein. Im Falle der Erfassung von Bildern oder Bilddaten im sichtbaren Spektralbereich sind dann auch die zur Beleuchtung eingesetzten Strahlungsquellen lichtemittierende Bauelemente, die im sichtbaren Spektralbereich emittieren. Bei Aufzeichnung von Wärmebildern oder Wärmebilddaten werden entsprechende infrarot-emittierende Bauelemente eingesetzt. In a synchronous to the applicator performed or coupled to the applicator movement of the line sensor on the processing surface high recording rates of 10 kHz, for example, are required to achieve a high resolution. To implement these high line frequencies with appropriate exposure times, additional lighting of the be observed area. Preferably, this illumination is effected by at least one line of suitable radiation-emitting components, which is arranged parallel to the line sensor and also connected to the mechanical movement device. For example, components such as LEDs, laser diodes or Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs), which can emit in different wavelength ranges and powers, can be used for this illumination. The at least one line sensor can be designed, for example, for the detection of the visible spectral range or else for the detection of thermal images. In the case of capturing images or image data in the visible spectral range, the radiation sources used for illumination are then also light-emitting components which emit in the visible spectral range. When recording thermal images or thermal image data, corresponding infrared-emitting components are used.
Der Aufbau der Zeile mit Strahlungsquellen sowie des Zeilensensors kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Im einfachsten Fall wird die gesamte oder nahezu gesamte Bearbeitungsfläche in einer Dimension von durchgängigen Zeilen abgedeckt. Aus kosten- oder überwachungstechnischen Gründen kann es auch von Vorteil sein, kürzere Zeilensensoren versetzt und/oder im Überlapp anzuordnen. Auch mehrere durchgängige Zeilen sind möglich, um beispielsweise Bildfolgen in definierten zeitlichen Abständen zu erhalten. Sowohl die Zeile von Strahlungsquellen als auch der wenigstens eine Zeilensensor können je nach gewünschter Anwendung im gesamten Wellenlängenspektrum angesiedelt sein. Verschiedene Wellenlängenbereiche können auch miteinander örtlich oder zeitlich kombiniert werden. Die Auswertung der Signale kann mit weiteren Prozessgrößen und Sensorsignalen korreliert oder in deren Abhängigkeit ausgewertet werden. The structure of the line with radiation sources and the line sensor can be done in different ways. In the simplest case, the entire or almost entire processing area is covered in one dimension by continuous lines. For cost or monitoring reasons, it may also be advantageous to offset shorter line sensors and / or to arrange them in the overlap. Several continuous lines are also possible, for example to obtain image sequences at defined time intervals. Both the line of radiation sources and the at least one line sensor can be located in the entire wavelength spectrum depending on the desired application. Different wavelength ranges can also be combined with each other locally or temporally. The evaluation of the signals can be correlated with other process variables and sensor signals or evaluated in their dependency.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung können unterschiedliche Messprinzipien umgesetzt werden. So bietet das Verfahren die Möglichkeit, Bilddaten der Ober- bzw. Bearbeitungsfläche im sichtbaren Spektralbereich aufzuzeichnen und zur Detektion von sichtbaren Effekten oder fehlerhaften Stellen beim Auftrag des Aufbaumaterials mit geeigneten Bildverarbeitungsalgorithmen zu analysieren. Eine weitere Möglichkeit bildet die Anwendung der Pulsthermografie. Die Pulsthermografie ist ein Prüfverfahren, das es ermöglicht, Prozessfehler, die unterhalb der Oberfläche liegen, beispielsweise Poren, Risse oder Anbindungsfehler, zu detektieren. Die kurze Prüfdauer und die hohe Nachweisempfindlichkeit ermöglichen den Einsatz der Pulsthermografie in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Dies ist bei generativen Fertigungsverfahren wie dem SLM von besonderer Bedeutung, da es beim schichtweisen Aufbau zu einem Wiederaufschmelzen von tieferliegenden Schichten kommt und erst dort im Bereich von 100 μm bis 150 μm Tiefe Prozessfehler auftreten können. Durch Anwendung der Pulsthermografie bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung kann eine belastbare Aussage über die Produktqualität, insbesondere über die Festigkeit der Bauteile, getroffen werden, da Fehler in tieferliegenden Schichten detektiert werden können. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Anwendung der Pulsthermografie, da keine Störungen durch Prozessemissionen bei der Bildaufzeichnung auftreten und eine ausreichend hohe Auflösung möglich ist, um Poren usw. in der Größe von 200 μm bis hinab zu 50 μm detektieren zu können. Das Messprinzip beruht dabei auf einer Störung des thermischen Gleichgewichts des Prüflings, indem er kurzzeitig mit Hilfe einer thermischen Anregungsquelle, beispielsweise mittels Diodenlasern oder VCSELs, lokal kurzzeitig erwärmt wird. Als Zeilensensor wird dann ein IR-Sensor, beispielsweise ein Bolometer, ein InGaAs-Detektor oder ein PbSe-Detektor eingesetzt, der nach erfolgtem Erwärmungspuls Bildsequenzen aufzeichnet, die nachfolgend analysiert werden. Die Wärme breitet sich dabei in alle Raumrichtungen aus. Defekte wie beispielsweise Poren verhalten sich wie eine thermische Barriere und behindern den Wärmefluss. Die Erkennbarkeit hängt dabei von der Fehlergröße (Querschnitt) und dem Abstand zur Oberfläche ab. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und der Dichte ab. Die Zeitdauer, bis sich ein Fehler in der Tiefe an der Oberfläche bemerkbar macht, hängt damit von der Ausbreitungsgeschwindigkeit ab. Die Auswirkung eines Fehlers auf die Oberflächentemperatur muss jedoch detektierbar sein. Durch die geringe Schichtdicke bei der generativen Fertigung von typischerweise 30 μm bis 100 μm, eignet sich dieses Prüfverfahren damit ideal zur Prozessüberwachung. With the proposed method and the associated device different measuring principles can be implemented. Thus, the method offers the possibility of recording image data of the upper or working surface in the visible spectral range and to analyze the detection of visible effects or faulty locations when applying the building material with suitable image processing algorithms. Another possibility is the use of pulse thermography. Pulse thermography is a test method that makes it possible to detect process errors below the surface, such as pores, cracks or connection errors. The short test duration and the high detection sensitivity enable the use of pulse thermography in non-destructive material testing. This is of particular importance in generative manufacturing processes such as the SLM, since layered buildup leads to remelting of deeper layers and process defects can only occur in the range of 100 μm to 150 μm depth. By applying the pulse thermography in the proposed method and the associated device, a reliable statement about the product quality, in particular about the strength of the components, can be made, as errors in deeper layers can be detected. The proposed method allows the use of pulse thermography, since there are no disturbances due to process emissions during image recording and a sufficiently high resolution is possible in order to be able to detect pores etc. in the size from 200 μm down to 50 μm. The measurement principle is based on a disturbance of the thermal equilibrium of the test specimen, by being briefly briefly locally heated with the aid of a thermal excitation source, for example by means of diode lasers or VCSELs. The line sensor used is then an IR sensor, for example a bolometer, an InGaAs detector or a PbSe detector, which records image sequences after the heating pulse, which are subsequently analyzed. The heat spreads in all spatial directions. Defects such as pores behave like a thermal barrier and hinder heat flow. Recognition depends on the size of the defect (cross section) and the distance to the surface. The propagation speed depends on material properties such as thermal conductivity, specific heat capacity and density. The time until an error in the depth of the surface makes itself felt depends on the speed of propagation. However, the effect of an error on the surface temperature must be detectable. Due to the small layer thickness in the generative production of typically 30 μm to 100 μm, this test method is ideally suited for process monitoring.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigt: The proposed method and the proposed device will be explained in more detail below with reference to an embodiment in conjunction with the drawings. Hereby shows:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Beispiels nochmals näher erläutert, bei dem ein Bauteil mit der Technik des selektiven Lasersinters (SLM) aufgebaut wird. Die Aufbauvorrichtung weist eine Prozesskammer
Das Vorratsbehältnis für das Aufbaumaterial sowie die Führungseinrichtung für den Laserstrahl sind in dieser Figur nicht dargestellt. Diese Komponenten der Vorrichtung sind aus dem Stand der Technik bekannt und können hier in gleicher Weise ausgebildet sein. Der in
Entlang des Zeilensensors
In einer möglichen Ausgestaltung werden mit dem Zeilensensor
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Nutzung der Pulsthermografie bei dieser Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren. Hierzu ist der Zeilensensor
Mit diesem Verfahren und der beschriebenen Vorrichtung kann während des Pulverauftrags eine Prozessüberwachung durchgeführt werden ohne Prozesszeit in Anspruch zu nehmen. Damit können örtlich aufgelöste Messdaten der gesamten Bearbeitungsfläche in der Nebenzeit des Pulverauftrags generiert werden. Es lässt sich dadurch während der Herstellung eines Bauteils eine vollständige schichtweise Analyse durchführen. Durch die Kombination der einzelnen Schichtaufnahmen wird die räumliche innere Struktur des Bauteils sichtbar und dokumentiert. With this method and the device described, a process monitoring can be carried out during the powder application without taking any process time. This allows spatially resolved measurement data of the entire processing area to be generated in the off-time of powder application. It can thereby perform a complete layer by layer analysis during the manufacture of a component. By combining the individual shots, the spatial internal structure of the component becomes visible and documented.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Prozesskammer process chamber
- 22
- Bauplattform building platform
- 33
- Baubehältnis Baubehältnis
- 44
- Gaseinlass gas inlet
- 55
- Gasauslass gas outlet
- 66
- Pulverschieber powder slide
- 77
- Pulver powder
- 88th
- Verfestigte Bauteilbereiche Solidified component areas
- 99
- Zeilensensor line sensor
- 10 10
- Linienquelle line source
- 1111
- Defekt malfunction
- 1212
- Steuer- und Auswerteeinrichtung Control and evaluation device
- 1313
- Analyseergebnis analysis result
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- T. Craeghs et al., „Online Quality Control of Selective Laser Melting“, aus http://sffsymposium.engr.utexas.edu/Manuscripts/2011/20 11-17-Craeghs.pdf, Seiten 221–226 [0008] T. Craeghs et al., "Online Quality Control of Selective Laser Melting", from http://sffsymposium.engr.utexas.edu/Manuscripts/2011/20 11-17-Craeghs.pdf, pages 221-226 [0008]
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