DE102016209065B4 - Method and device for process monitoring in the additive manufacturing of components - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Prozessüberwachung bei der generativen Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials (7) mittels energetischer Strahlung,bei dem mit einer strahlungsempfindlichen Sensoranordnung jeweils vor und/oder nach einem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials (7) auf eine Bearbeitungsfläche Daten wenigstens eines für die Verfestigung des Aufbaumaterials (7) genutzten Bereiches der Bearbeitungsfläche aufgezeichnet werden, undbei dem die Aufzeichnung der Daten mit wenigstens einem Zeilensensor (9) als strahlungsempfindlicher Sensoranordnung erfolgt, der über die Bearbeitungsfläche bewegt wird,dadurch gekennzeichnet,dass der für die Verfestigung des Aufbaumaterials (7) genutzte Bereich mit wenigstens einer parallel zum Zeilensensor (9) angeordneten und mit dem Zeilensensor (9) über die Bearbeitungsfläche bewegten Zeile (10) mit Strahlungsquellen bestrahlt wird, unddass der wenigstens eine Zeilensensor (9) zusammen mit den Strahlungsquellen zur Pulsthermographie an der Bearbeitungsfläche eingesetzt wird.Method for process monitoring in the generative manufacturing of components by layer-by-layer solidification of a building material (7) by means of energetic radiation, in which a radiation-sensitive sensor arrangement is used before and/or after a new layer of the building material (7) is applied to a processing surface, at least one data for solidification of the construction material (7) are recorded on the processing surface, and in which the recording of the data takes place with at least one line sensor (9) as a radiation-sensitive sensor arrangement, which is moved over the processing surface, characterized in that the solidification of the construction material ( 7) the area used is irradiated with radiation sources with at least one line (10) arranged parallel to the line sensor (9) and moved with the line sensor (9) over the processing surface, and that the at least one line sensor (9) together with the radiation sources for pulse thermography at the processing surface is used.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical field of 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 manufacturing of components by layer-by-layer solidification of a building material by means of energetic radiation, in which a radiation-sensitive sensor arrangement is used before and/or after a new layer of the building material is applied to a processing surface, at least one data for the Solidification of the construction material used area of the processing surface can be recorded. The invention also relates to a device for the additive manufacturing 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.With its almost unlimited geometric degrees of freedom, the complete absence of shaping tools and a material utilization of almost 100%, generative manufacturing offers the possibility of manufacturing individual products in a resource- and energy-efficient manner. One of the most widespread methods of generative manufacturing of metal components (including ceramics) is selective laser melting (SLM: Selective Laser Melting), in which the components are built up on a construction platform by layer-by-layer solidification of a powdered construction material.
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.Due to the layered construction directly from CAD data, highly complex components can be produced from metallic series materials without shaping tools using SLM, which cannot be produced with conventional manufacturing techniques such as casting or machining. Since previous production-related restrictions are no longer applicable, 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), LaserCUSINGO 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 (approx. 15 to 200 μm) on a substrate plate, also referred to as a construction platform in the present patent application. According to the calculated areas of the CAD model, the powder is selectively melted by applying local heat with the laser beam. Then the substrate plate is lowered and a new layer of powder is applied. The next layer is selectively melted again with laser radiation and connected to the lower layer by melt metallurgy. In this way, the tailor-made component is created in layers from the powdered construction material. Components manufactured by selective laser melting are characterized by high component densities (> 99%). This ensures that the mechanical properties of the generatively manufactured component largely correspond to those of the base material. In the field of metal processing, this process principle is sometimes also known under other names, such as DMLS (Direct Metal Laser Sintering), LaserCUSINGO 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 use the potential of additive manufacturing on a larger scale as a manufacturing process for functional components. This is essentially due to a lack of quality assurance and control in additive manufacturing, which means that errors such as insufficient powder supply, pore and bonding defects in the component, distortion of the component or defects in overhangs occur during the production process, which sometimes lasts several hours cannot be detected. The errors that occur are usually geometry-dependent, which is why it is not possible to generally avoid errors by improving process control. In addition, these defects can occur at various points in the component during the entire process and can therefore only be detected after completion using complex test methods such as computed tomography. This also applies to cases in which the defect has already appeared in the first layers, since the part that has already solidified or built up is hidden by the surrounding powder bed during the manufacturing process. As a rule, it is usually necessary to make several attempts before a new, previously unknown geometry can be manufactured without errors. This is unacceptable for single and small series production. It is also still very time-consuming to ensure and document the quality of the additively manufactured components. In the case of load-bearing structures in the aerospace and medical technology sectors in particular, this is an exclusion criterion when selecting 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.Different approaches to quality assurance are pursued in industry and research. A distinction can be made between two approaches with regard to sensor integration, on the one hand the off-axis structure and on the other hand the on-axis structure. With the off-axis solution, the entire installation space is recorded and monitored by the sensor system. The sensor system can be arranged inside or outside the process chamber. With the on-axis solution, the sensor is integrated into the processing head and records the processing surface coaxially to the beam path of the processing laser. This allows the processing zone with the melt pool on the sensor be mapped. With both approaches, the monitoring can take place layer by layer, so that at the end of the processing 3D information on the component creation 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 U. Thombansen et al., „Process Observation in Selective Laser Melting (SLM)“, Proc. SPIE 9356, High-Power Laser Materials Processing: Lasers, Beam Delivery, Diagnostics, and Applications IV, 93560R (March 9, 2015). Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass die Schmelzbademissionen immer auf die Sensorfläche fokussiert werden können und die Bildgröße so gewählt werden kann, das hohe Abtastraten erreicht werden. Hierdurch wird eine kontinuierliche Prozessdokumentation ermöglicht. Die Nachteile dieser Anordnung sind in der Integration in den optischen Strahlengang begründet. Der komplexe optische Aufbau führt zu Grenzen in der Qualität der Abbildung. Die Beobachtung über den Scanner erfordert hohe Messfrequenzen, was zu einer Limitierung in der Auflösung der genutzten Sensorfläche führt. Diese Anordnung wird ausschließlich verwendet, um den Prozess zu dokumentieren. Überwachungsverfahren, wie die Pulsthermografie oder eine Überwachung des Pulverauftrags, die durch Prozessemissionen gestört werden, kommen nicht zum Einsatz.The on-axis design is based on a coaxial arrangement of the sensors, such as cameras and photodiodes, to the processing axis of the processing laser beam. The sensors partly use the same optical beam path as the processing laser. An example of such a structure can be found in the publication by U. Thombansen et al., "Process Observation in Selective Laser Melting (SLM)", Proc. SPIE 9356, High-Power Laser Materials Processing: Lasers, Beam Delivery, Diagnostics, and Applications IV, 93560R (March 9, 2015). Such an arrangement has the advantage that the melt pool emissions can always be focused on the sensor surface and the image size can be selected in such a way that high scanning rates can be achieved. This enables continuous process documentation. The disadvantages of this arrangement are based on the integration into the optical beam path. The complex optical structure leads to limits in the quality of the image. Observation via the scanner requires high measuring frequencies, which leads to a limitation in the resolution of the sensor area used. This arrangement is only used to document the process. Monitoring methods such as pulse thermography or monitoring of the powder application, which are disturbed by process emissions, are not used.
Ein Beispiel für einen Off-Axis-Aufbau zur Überwachung des Pulverauftrags findet sich in der Veröffentlichung von 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. Der Vorteil einer Off-Axis-Lösung ist die einfache Systemintegration von Anlage und Sensorsystem. Ein Off-Axis-Aufbau ermöglicht Aussagen über den gesamten Bauraum, zum Beispiel über das gesamtheitliche Aufschmelz- und Abkühlverhalten. Eine detaillierte Aussage über das Schmelzbad oder einzelne Bauteilstrukturen ist jedoch nicht ableitbar. Dies ist in der geringeren Auflösung begründet, da der gesamte Bauraum auf der Sensorfläche abgebildet wird. Da aus diesem Grund die Sensoren meist vollflächig genutzt werden, resultiert auch eine niedrigere Erfassungsrate. Die
Die
Die
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 specify a method and a device for process monitoring in the generative manufacturing of components by layer-by-layer solidification of a construction material by means of energetic radiation, in which image data of each applied layer is recorded with high resolution and high measuring rate without interference from process emissions for process monitoring can become.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 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. Die Aufzeichnung dieser Daten erfolgt mit wenigstens einem Zeilensensor als strahlungsempfindlicher Sensoranordnung, 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. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der für die Verfestigung des Aufbaumaterials genutzte Bereich mit wenigstens einer parallel zum Zeilensensor angeordneten und mit dem Zeilensensor über die Bearbeitungsfläche bewegten Zeile mit Strahlungsquellen bestrahlt wird, und dass der wenigstens eine Zeilensensor zusammen mit den Strahlungsquellen zur Pulsthermographie an der Bearbeitungsfläche eingesetzt wird.In the proposed method, a radiation-sensitive sensor arrangement and, if necessary, suitable imaging optics are used to record data before and/or after the application of a new layer of the building material to the working surface of at least one region of the working surface used for solidifying the building material, from which a Image of this area can be created. This data is recorded with at least one line sensor as a radiation-sensitive sensor arrangement, which is moved over the processing surface. Before a new layer of build-up material is applied, the processing area represents the surface of the last applied and partially solidified build-up material and after the application of a new layer, it represents the surface of this new layer. Below the area used for solidifying the build-up material is the area of the processing area that the component requires for assembly, hereinafter also referred to as assembly designated area. The method is characterized in that the area used for the solidification of the construction material is irradiated with at least one line of radiation sources arranged parallel to the line sensor and moved over the processing surface with the line sensor, and that the at least one line sensor is used together with the radiation sources for pulsed thermography the processing surface is used.
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, as with the known methods of the prior art, the entire structure of the component can be documented layer by layer. For this purpose, an image is preferably created of each individual layer before and/or after solidification by moving the line sensor over the processing surface. The movement takes place parallel to the processing surface. The surface of the respectively newly applied and/or just solidified layer is imaged onto the line sensor by means of suitable imaging optics. Due to the continuous movement or crossing of the line sensor over the build-up area of the processing area, an image of the entire build-up area or the entire processing area can be generated via the recording rate of the line sensor. Two essential advantages can be achieved in this way. On the one hand, the line sensor can be arranged at a very small distance of preferably ≦400 mm above the processing surface and can be moved over the processing surface synchronously with the layer application without a collision or disruption occurring with or due to the application of a new layer of the construction material. As a result, a very high resolution of the data or the respective image can be achieved. On the other hand, this arrangement makes it possible to record data from the entire build area or the entire processing area without the influence of process emissions. By capturing the respective data during the order of a new shift, there are no additional waiting times for data acquisition. The process makes it possible to document the entire structure of the component in 3D using 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 over the processing surface synchronously with the application device for the layered application of the building material. This movement preferably takes place by attaching the at least one line sensor to the application device itself, so that when this application device is moved to apply the new layer, the line sensor is also moved over the processing surface for data acquisition.
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 methods in which the component is built up by layer-by-layer solidification of a building material by means of energetic radiation, with the building material or the material required for the structure being added in layers or layers. This can be a powdered material that is distributed, for example, using a suitable slide on the processing surface. In addition to the SLM process, this also includes similar processes for plastics and processes for laser sintering. The method is also suitable for manufacturing techniques in which the building material is added in liquid form in layers or layers. In addition to these methods, which use laser radiation as energetic radiation for layer-by-layer solidification, the proposed method and the associated device are also suitable for generative manufacturing techniques that use other types of energetic radiation, for example electron beams, for layer-by-layer 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 Sensoranordnung umfasst wenigstens einen Zeilensensor, der mit einer mechanischen Bewegungseinrichtung verbunden ist, die den Zeilensensor zur Erfassung des Aufbaubereiches über die Bearbeitungsfläche bewegt.The device designed to carry out the method comprises at least one construction platform, an application device for applying the construction material in layers to a processing surface above the construction platform, a guide device for the energetic radiation and a radiation-sensitive sensor arrangement with which at least one area of the construction material used for solidifying the construction material Processing area can be detected. 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 in order to detect the build-up 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 moving the line sensor over the processing surface, for example using a linear axis or a swivel 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 application of the construction material is guided over the processing surface. In this configuration, the line sensor is then attached directly to the application device. This offers the particular advantage that the movement of the line sensor and thus also the image recording is automatically synchronized with the movement of the application device, so that there are no additional measuring runs or waiting times. The at least one line sensor is preferably in the direction of movement of the up carrying device arranged in layer application in front of the application device. With this arrangement, an image of the layer that has already been processed or partially solidified can then be created, for example, on the outward journey of the application device for layer application and/or on the return journey, an image of the newly applied layer.
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 guiding device for the energetic radiation can be a fixed guiding device, which, for example, generates a projection of the energetic radiation onto the processing surface, or a dynamic guiding device, for example a scanning device, with which one or more processing beams are guided over the processing surface . As a rule, the construction platform can be lowered or raised. In the present patent application, an application of a layer “above” the construction platform is not necessarily to be understood relative to the direction of gravity, but rather relates to the direction of construction relative to the construction 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, ist eine zusätzliche Beleuchtung des beobachteten Bereiches erforderlich. Diese Beleuchtung erfolgt bei der vorgeschlagenen Vorrichtung 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 ist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung für die Erfassung von Wärmebildern ausgebildet. Für diese Aufzeichnung von Wärmebildern oder Wärmebilddaten werden entsprechende infrarot-emittierende Bauelemente zur Beleuchtung eingesetzt.When the line sensor moves synchronously with the application device or is coupled to the application device over the processing surface, high recording rates of, for example, 10 kHz are also required to achieve high resolution. In order to convert these high line frequencies with corresponding exposure times, additional lighting of the observed area is required. In the proposed device, this illumination is provided by at least one line of suitable radiation-emitting components, which is arranged parallel to the line sensor and is also connected to the mechanical movement device. For example, components such as LEDs, laser diodes or VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) can be used for this illumination, which can emit in different wavelength ranges and powers. The at least one line sensor is designed in the proposed device for capturing thermal images. For this recording of thermal images or thermal image data, appropriate infrared-emitting components are used for lighting.
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. Die Auswertung der Signale kann mit weiteren Prozessgrößen und Sensorsignalen korreliert oder in deren Abhängigkeit ausgewertet werden.The line with radiation sources and the line sensor can be constructed in different ways. In the simplest case, the entire or almost the entire processing area is covered in one dimension by continuous lines. For cost or monitoring reasons, it can also be advantageous to arrange shorter line sensors offset and/or in an overlap. Several continuous lines are also possible, for example to obtain image sequences at defined time intervals. The evaluation of the signals can be correlated with other process variables and sensor signals or evaluated as a function of them.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung wird die Technik der Pulsthermografie eingesetzt. 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 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.Pulse thermography technology is used in the proposed method and the associated device. Pulse thermography is a test method that makes it possible to detect process errors that lie 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 SLM, since layer-by-layer construction leads to remelting of deeper layers and process errors can only occur there in the range of 100 µm to 150 µm depth. By using pulse thermography in the proposed method and the associated device, a reliable statement can be made about the product quality, in particular about the strength of the components, since defects in deeper layers can be detected. The proposed method enables the use of pulse thermography, since there are no disturbances caused by process emissions during image recording and a sufficiently high resolution is possible to detect pores etc. with a size of 200 µm down to 50 µm. The measuring principle is based on disrupting the thermal equilibrium of the test object by briefly heating it locally with the aid of a thermal excitation source, for example using diode lasers or VCSELs. An IR sensor, for example a bolometer, an InGaAs detector or a PbSe detector, is used as a line sensor, which, after the heating pulse has taken place, records image sequences which are subsequently analyzed. The heat spreads out in all spatial directions. Defects such as pores behave like a thermal barrier and impede the flow of heat. The detectability depends on the defect size (cross-section) and the distance to the surface. The speed of propagation depends on material properties such as thermal conductivity, specific heat capacity and density. The length of time before a fault becomes noticeable at depth on the surface thus depends on the propagation speed. However, the effect of a defect on the surface temperature must be detectable. Due to the low layer thickness in additive manufacturing of typically 30 µm to 100 µm, this test method is ideal for process monitoring.
Figurenlistecharacter list
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines beispielshaften Aufbaus der vorgeschlagenen Vorrichtung.
-
1 a schematic representation of an exemplary structure of the proposed device.
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 1 auf, in der eine Bauplattform 2 in ein für den Aufbau vorgesehenes Baubehältnis 3 absenkbar ist. Die Prozesskammer 1 hat einen Einlass 4 und einen Auslass 5 für ein Prozessgas. Das pulverförmige Aufbaumaterial 7 wird jeweils mit einem Pulverschieber 6 als neue Schicht über der Bearbeitungsfläche aufgetragen. Der Auftrag der jeder neuen Schicht erfolgt nach der Verfestigung der jeweils vorangehenden Schicht durch Absenken der Bauplattform 2 um eine entsprechende Schichtdicke und Bewegung des Pulverschiebers 6 über das Bauteilbehältnis 3.The proposed method and the associated device are explained in more detail below using an example in which a component is constructed using selective laser sintering (SLM) technology. The construction device has a process chamber 1 in which a
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 9 liegt die Auflösung typischerweise im Bereich der Pixelgröße des Zeilensensors, beispielsweise bei 10 µm. In Richtung des Vorschubes des Pulverschiebers 6 ist die Auflösung abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit und der Aufnahmefrequenz des Zeilensensors. Um bei der typischen Vorschubgeschwindigkeit des Pulverschiebers von 100 mm/s eine räumliche Auflösung von 10 µm zu erhalten, ist eine Aufnahmerate von 10 kHz erforderlich. Kommerziell verfügbare Kamerazeilen (CMOS, CCD, InGAs usw.) sind in der Lage, Zeilenfrequenzen von 40 kHz umzusetzen. Im Zusammenspiel mit einer Pixelgröße von 10 µm lässt sich damit eine hervorragende räumliche Auflösung für die Überwachung der aufgetragenen Pulverschicht und der aufgeschmolzenen bzw. verfestigten Bereiche erreichen.The resolution along the
Zur Nutzung der Pulsthermografie ist der Zeilensensor 9 zur Aufzeichnung von Wärmebilddaten ausgebildet und die Linienquelle 10 als thermische Linienquelle. Mittels Pulsthermografie lassen sich Defekte 11 unterhalb der Oberfläche im bereits verfestigten Aufbaumaterial detektieren. Ein derartiger Defekt 11 erzeugt dabei eine an der Oberfläche detektierbare Antwort der über die Linienquelle 10 eingestrahlten Wärmepulse. Die am Schieber 6 befestigte Sensorikeinheit mit Linienquelle 10 und Zeilensensor 9 ist mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 12 verbunden. In der Steuer- und Auswerteeinrichtung 12 erfolgen die Steuerung der Sensorik und die Signalverarbeitung der Antwort. Bei Detektion eines Fehlers kann ein Analyseergebnis 13 ausgegeben werden, das Position und Tiefenlage der jeweiligen Fehlstelle anzeigt.To use pulse thermography,
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, process monitoring can be carried out during the powder application without taking up any process time. This means that locally resolved measurement data of the entire processing area can be generated during the non-productive time of powder application. This allows a complete layer-by-layer analysis to be carried out during the manufacture of a component. The spatial internal structure of the component becomes visible and documented through the combination of the individual layer recordings.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Prozesskammerprocess chamber
- 22
- Bauplattformbuild platform
- 33
- Baubehältnisbuilding container
- 44
- Gaseinlassgas inlet
- 55
- Gasauslassgas outlet
- 66
- Pulverschieberpowder pusher
- 77
- Pulverpowder
- 88th
- Verfestigte BauteilbereicheHardened component areas
- 99
- Zeilensensorline sensor
- 1010
- Linienquelleline source
- 1111
- Defektmalfunction
- 1212
- Steuer- und AuswerteeinrichtungControl and evaluation device
- 1313
- Analyseergebnisanalysis result
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