DE102018127987A1

DE102018127987A1 - Verfahren zur Bauteilvermessung eines additiv hergestellten Objekts mit definiertem Energieeintrag

Info

Publication number: DE102018127987A1
Application number: DE102018127987.6A
Authority: DE
Inventors: Joachim Wagner; Sven Schweikert
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2020-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Herstelleinrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines, insbesondere pulverförmigen, Aufbaumaterials innerhalb eines in einer Arbeitsfläche liegenden Baufelds.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines, insbesondere pulverförmigen, Aufbaumaterials. Derartige Einrichtungen zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts weisen eine Objektbildungskammer auf in der das zu fertigende Objekt schrittweise erstellt wird. In der Objektbildungskammer ist eine Arbeitsfläche vorgesehen, die ein Baufeld zum Herstellen des dreidimensionalen Objekts aufweist.
Das Verfahren bezieht sich dabei auf Herstelleinrichtungen, die wenigstens eine Strahlquelle und eine Scaneinheit aufweisen. Insbesondere kann das Verfahren jedoch auf Herstelleinrichtungen, die wenigstens zwei Strahlquellen und zwei Scaneinheiten aufweisen, durchgeführt werden. Die Scaneinheit oder Scaneinheiten sind ausgebildet und angeordnet, um jeweils einen durch die jeweilige Scaneinheit gesteuerten Strahl der jeweiligen Strahlquelle, auf verschiedene Zielpunkte auf dem Baufeld zu richten. Mit anderen Worten, der Strahl kann über die Scaneinheit auf verschiedene Punkte des Baufelds geführt bzw. gelenkt werden.
Mit zwei oder mehr Strahlquellen aufweisenden Herstelleinrichtungen sind vorliegend auch Herstelleinrichtungen gemeint, die eine einzige Einrichtung zur eigentlichen Erzeugung eines Strahls aufweisen, wobei dieser Strahl wiederum bspw. mittels eines Strahlteilers (beam splitter) in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die einzelnen Teilstrahlen des aufgeteilten Strahls stellen dann die mehreren Strahlquellen im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
Die Herstelleinrichtung umfasst weiter eine Sensoreinheit. Die Sensoreinheit weist einen Überwachungsbereich auf, wobei die Sensoreinheit ausgebildet ist, um die im Überwachungsbereich vom Baufeld her emittierte Strahlung zu erfassen. Bei einer Herstellereinrichtung mit einer Scaneinheit und einer Strahlquelle sowie einer Sensoreinheit kann die Sensoreinheit eine on-axis Sensoreinheit der eben beschriebenen ersten, insbesondere und einzigen, Scaneinheit mit erster Strahlquelle sein. Der Überwachungsbereich der Sensoreinheit kann jedoch auch unabhängig vom Zielpunkt der (ersten) Strahlquelle bzw. Scaneinheit lenkbar sein. Beispielsweise kann die Sensoreinheit eine on-axis Sensoreinheit einer zweiten Scaneinheit mit zweiter Strahlquelle sein.
Zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts sind sogenannte „Selective Laser Sintering“ (SLS) oder „Selective Laser Melting“ (SLM) Verfahren, also das selektive Lasersintern sowie das selektive Laserschmelzen bekannt. Dazu wird in der Objektbildungskammer das pulverförmige Aufbaumaterial, beispielsweise Metall- oder Keramikpulver, mit einer elektromagnetischen Strahlung aus der oben genannten Strahlquelle, insbesondere mit einem Laserlicht, bestrahlt. Auf dem Baufeld der Kammer wird eine dünne Pulverschicht aufgebracht, die mit dem Laserlicht zur Herstellung des Objekts gesintert oder geschmolzen wird. Die Herstellung des Objekts erfolgt dabei schrittweise; Pulverschichten werden nacheinander aufgebracht und jeweils gesintert oder geschmolzen. Zwischen den Fertigungsschritten wird das pulverförmige Aufbaumaterial mit einer Aufbringungseinrichtung, beispielsweise einem Wischer, einer Walze, einer Bürste oder einer Klinge auf die Bauplattform aufgebracht bzw. aufgestrichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb der oben genannten Herstelleinrichtung zu schaffen, dass eine möglichst genaue Prozesskontrolle bei geringem apparativen Aufwand ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Entsprechend weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:

Bestrahlen eines Teilbereichs des Aufbaumaterials innerhalb der Arbeitsfläche. Das Bestrahlen erfolgt dabei, in dem der Strahl der Strahlquelle mittels der Scaneinheit auf das Aufbaumaterial gerichtet wird. Die eingebrachte Energiemenge ist bei diesem Bestrahlungsvorgang dabei derart gewählt, dass das Aufbaumaterial verfestigt wird. Es entsteht an der bestrahlten Stelle also ein Teilbereich des herzustellenden dreidimensionalen Objekts.

Der Überwachungsbereich der Sensoreinheit wird in einem nächsten Schritt auf oder in die Umgebung eines Messzielpunkts auf dem verfestigten Teilbereich des herzustellenden dreidimensionalen Objekts gerichtet, falls er sich noch nicht in der entsprechenden Stellung befindet. Der Messzielpunkt ist dabei ein Punkt der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geprüft werden soll bzw. an dem eine Messung durchgeführt werden soll. Die Sensoreinheit bzw. ihr Überwachungsbereich kann, bspw. falls sie als on-axis Sensoreinheit ausgebildet ist, bereits auf den eben verfestigten Bereich gerichtet sein. Dies kann auch sein, wenn eine selbständige Sensoreinheit zur Überwachung des Verfestigungsvorgangs genutzt wurde. Um den Überwachungsbereich beabstandet zum Messzielpunkt anzuordnen wird typischerweise eine selbständige Sensoreinheit verwendet. Durch geeignete optische Strahlführung kann dies jedoch auch mit einer on-axis Sensoreinheit durchgeführt werden.
Nachdem der Überwachungsbereich der Sensoreinheit auf den Messzielpunkt ausgerichtet ist, wird dieser bestrahlt. Das Bestrahlen des Messzielpunkts erfolgt, indem der Strahl der Strahlquelle mittels der Scaneinheit auf den Messzielpunkt gerichtet wird. Bei diesem Bestrahlungsvorgang ist die eingebrachte Energiemenge derart gewählt, dass das bereits verfestigte Aufbaumaterial durch die Bestrahlung nicht aufgeschmolzen wird. Der Messzielpunkt wird durch die Bestrahlung also lediglich erwärmt.
Mittels der Sensoreinheit wird die im Überwachungsbereich emittierte Strahlung beim Aufwärmen und/oder Abkühlen des Messzielpunkts erfasst, wobei das Aufwärmen durch die Bestrahlung erfolgt.
Alternativ zu den eben beschriebenen Prozessschritten kann das erfindungsgemäße Verfahren auch die folgenden Schritte umfassen:

Der Überwachungsbereich der Sensoreinheit wird, falls er noch nicht auf die entsprechende Position gerichtet ist, auf oder in die Umgebung eines Messzielpunkts auf dem Baufeld gerichtet, auf dem sich eine Schicht aus noch nicht verfestigtem Aufbaumaterial befindet. Die Sensoreinheit überwacht nun also einen Bereich des Baufelds, auf dem das aufgebrachte Aufbaumaterial noch nicht verfestigt wurde bzw. das Aufbaumaterial im Messzielpunkt wurde noch nicht verfestigt.

Bestrahlen des Messzielpunkts, indem der Strahl der Strahlquelle mittels der Scaneinheit auf den Messzielpunkt gerichtet ist. Dabei ist die eingebrachte Energiemenge derart gewählt, dass das noch nicht verfestigte Aufbaumaterial durch die Bestrahlung nicht aufgeschmolzen wird.
Mittels der Sensoreinheit wird beim Aufwärmen und/oder Abkühlen des Messzielpunkts durch die eben genannte Bestrahlung die im Überwachungsbereich vom Baufeld bzw. dem dortigen Aufbaumaterial emittierte Strahlung erfasst.
Mit anderen Worten umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zwei Verfahrensführungsvarianten, wobei bei der ersten Verfahrensführungsvariante ein bereits verfestigter Bereich an Aufbaumaterial, also ein bereits gefertigter Abschnitt des zu fertigenden Objekts, mittels der Strahlquelle bestrahlt wird, wobei die Intensität bzw. Bestrahlungsdauer derart gewählt ist, dass das bereits verfestigte Aufbaumaterial nicht aufschmilzt. Die durch diese Bestrahlung hervorgerufene von dem Aufbaumaterial emittierte Strahlung im Überwachungsbereich wird durch die Sensoreinheit erfasst. Dabei kann der Überwachungsbereich den bestrahlten Messzielpunkt umfassen oder beabstandet zu diesem angeordnet sein. Bei der zweiten Verfahrensführungsvariante wird ein noch nicht verfestigter Bereich an Aufbaumaterial mittels der Strahlquelle bestrahlt, wobei die Intensität bzw. Bestrahlungsdauer derart gewählt ist, dass das noch pulverförmige Aufbaumaterial nicht aufschmilzt bzw. sich nicht verfestigt. Die durch diese Bestrahlung hervorgerufene von dem Aufbaumaterial emittierte Strahlung im Überwachungsbereich wird wiederum durch die Sensoreinheit erfasst. Dabei kann, wie bei der ersten Verfahrensführungsvariante, der Überwachungsbereich den bestrahlten Messzielpunkt umfassen oder beabstandet zu diesem angeordnet sein.
Die Sensoreinheit kann Wärmestrahlung, die im Überwachungsbereich je nach Art der Verfahrensführung von dem noch pulverförmigen Aufbaumaterial oder dem bereits gebildeten Objekt, also bereits verfestigtem Aufbaumaterial, emittiert wird, erfassen. Beispielsweise kann die Sensoreinheit ein Pyrometer sein. Die Sensoreinheit kann insbesondere Fotodioden umfassen. Es können auch flächige Sensoren, wie Kameras (bzw. Wärmebildkameras) eingesetzt werden. Weitere Sensoren können aber auch Bolometer sein. Die Sensoreinheit kann insbesondere die Temperatur im jeweiligen Überwachungsbereich erfassen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann (um eine sprachliche Vereinfachung zu erreiche) mit Temperatur die tatsächliche Temperatur, die anhand von durch die Sensoreinheit erfassten Signalen (erfasste Strahlung) und einer entsprechenden Verarbeitung dieser Signale ermittelt wird, und/oder ein mit der Temperatur korrelierendes Signal gemeint sein, entsprechendes gilt für die nachfolgend beschriebenen temperaturverwandten Parameter, wie die zeitliche Entwicklung. Insbesondere kann die zeitliche Entwicklung der Temperatur im jeweiligen Überwachungsbereich erfasst werden. Es kann jeweils das Aufwärm- und/oder Abkühlverhalten erfasst werden. Zum Erfassen des Aufwärmverhaltens wird die Temperaturentwicklung insbesondere direkt ab Beginn der Bestrahlung erfasst. Zum Erfassen des Abkühlverhaltens wird die Temperaturentwicklung nach Beendigung der Bestrahlung erfasst. Dabei ist es möglich die Anfangsphase der Abkühlung zu beobachten oder bspw. die Beobachtung durchzuführen, bis die Temperatur im Überwachungsbereich wieder auf einen vorbestimmten Wert, bspw. den Ausgangswert, oder einen materialabhängigen festen Wert gesunken ist.
Durch die Messung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Einfluss der Prozessparameter eliminiert werden. Insbesondere kann auch das Umschmelzen des Pulvers als die Messung beeinflussender Faktor eliminiert werden. Das pulverförmige Aufbaumaterial hat andere Materialeigenschaften als das umgeschmolzene Material. Die Messung kann hierdurch beeinflusst werden (z.B. durch abweichende Emissions- und/oder Absorptionsgrade oder abweichende Wärmeleitung). Das Verfahren kann insbesondere an kritischen Bauteilstellen wie Überhängen, filigranen Bereichen des zu bildenden Objekts, an Funktionsflächen oder an massiven Volumenbereichen durchgeführt werden. Denkbar ist auch die Durchführung an von der Sensorik (thermisch und/oder optisch) der Herstellereinrichtung identifizierten Stellen.
In einem Auswerteschritt der auf die Erfassung mittels der Sensoreinheit folgt oder simultan zu dieser durchgeführt wird, können die erfassten Werte oder Werte, die im Auswerteschritt aus den erfassten Werten abgeleitet wurden, mit Vergleichsdaten abgeglichen werden. Diese Vergleichsdaten können insbesondere entsprechende Werte einer anderen, insbesondere baugleichen, Stelle am gleichen Objekt sein. Dabei können diese Vergleichsdaten mittels einer entsprechenden gleichen Verfahrensführung an der anderen Stelle erfasst worden sein. Denkbar ist, dass die verfahrensgemäß ermittelten Werte und die Vergleichsdaten je unter Verwendung einer ersten und zweiten Sensoreinheit, die jeweils als on-axis Sensoreinheit der jeweiligen ersten und zweiten Scaneinheit ausgebildet sind, erfasst werden. Bei dieser Verfahrensvariante wird das erfindungsgemäße Verfahren quasi parallel an zwei Stellen durchgeführt und die jeweils ermittelten Werte werden miteinander verglichen. Denkbar ist auch, dass die Vergleichsdaten von einer, insbesondere identischen, Stelle an einem in einem vorangegangenen Aufbauvorgang aufgebauten baugleichen Objekt stammen. Im Rahmen des Auswerteschritts können beim Vergleich mit den Vergleichsdaten insbesondere Rückschlüsse auf mögliche Materialfehler in dem Objekt gezogen werden.
In dem Auswerteschritt können die erfassten Werte oder Werte, die im Auswerteschritt aus den erfassten Werten abgeleitet wurden, zur Identifikation eines Defekts im verfestigten Material verwendet werden. Wird ein Defekt im verfestigten Material erkannt, so kann ein Reparaturschritt durchgeführt werden. Der Reparaturschritt kann das erneute Aufschmelzen der verfestigten Stelle mit dem Defekt umfassen. Die entsprechende Stelle wird also sozusagen mehrfach belichtet. Dieses mehrfache Belichten kann erfolgen, bevor weiteres pulverförmiges Aufbaumaterial aufgetragen wird. Es ist auch denkbar, dass das erneute Belichten nach dem Auftragen von weiterem pulverförmigem Aufbaumaterial erfolgt und dass diese neue aufgebrachte Schicht an Aufbaumaterial mit einer höheren Energiemenge belichtet wird, sodass darunterliegende Schichten (die den Defekt aufweisen) an bereits verfestigtem Aufbaumaterial aufschmelzen. Beim erneuten Erstarren ist dann bei erfolgreicher Reparatur der Defekt behoben. Diese Art der Verfahrensführung erlaubt quasi eine Defektbehebung im laufenden Aufbauvorgang.
Im Anschluss an den Reparaturschritt kann das erfindungsgemäße Verfahren erneut durchgeführt werden, ggf. ohne Reparaturschritt, falls sich bei der erneuten Durchführung ergibt, dass der Defekt durch den vorigen Reparaturschritt behoben wurde. Andernfalls können mehrere Reparaturversuche durchgeführt werden. Beispielsweise kann bei aufeinanderfolgenden Reparaturversuchen die eingebrachte Energiemenge erhöht werden. Es kann vorgesehen sein, dass eine bestimmte Anzahl, beispielsweise drei, an Reparaturversuchen durchgeführt wird bevor ein zu erstellendes Objekt beispielsweise als Ausschussteil ausgesondert wird oder anderweitig gesondert behandelt wird.
In einem Auswerteschritt können die erfassten Werte verwendet werden, um bspw. die Systemantwort der bestrahlten Fläche auf den Energieeintrag durch die Bestrahlung, die nicht zum Aufschmelzen ausreicht, zu ermitteln. Es können in diesem Auswerteschritt auch lediglich Teile der Systemantwort, wie bspw. die Aufheiz- oder die Abkühlkurve ermittelt werden. In dem Auswerteschritt können die erfassten Werte auch verwendet werden, um die Zeitkonstante für einen erwärmten Zielpunkt zu ermitteln. Die Zeitkonstante entspricht dabei dem Produkt aus dem Wärmewiderstand und der Wärmekapazität, wobei die Wärmekapazität wiederum dem Produkt aus spezifischer Wärmekapazität und Volumen entspricht. Durch die gezielte Analyse dieser charakteristischen Systemgröße kann theoretisch auch ohne Kenntnis der Bauteilgeometrie auf dessen thermische Eigenschaften geschlossen werden. Die Zeitkonstante kann beispielsweise als Regelgröße für aktive Prozesssteuerungen verwendet werden.
Es kann insbesondere eine Herstelleinrichtung verwendet werden, die wenigstens eine zweite Scaneinheit aufweist, die ausgebildet und angeordnet ist, um einen durch die zweite Scaneinheit gesteuerten Strahl einer zweiten Strahlquelle, auf verschiedene Zielpunkte auf dem Baufeld zu richten. Die Sensoreinheit kann dabei der zweiten Scaneinheit zugeordnet sein. Damit ist gemeint, dass ihr Überwachungsbereich über die zweite Scaneinheit auf den Zielpunkt der zweiten Scaneinheit gerichtet ist. Die zweite Scaneinheit bewegt also den Zielpunkt der zweiten Strahlquelle sowie den Überwachungsbereich der Sensoreinheit. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dann vorgesehen sein, dass die zweite Scaneinheit keinen Strahl der zweiten Strahlquelle auf ihren Zielpunkt richtet, während die Sensoreinheit die Erfassung der Bestrahlung durch die erste Scaneinheit im Rahmen des Verfahrens durchführt. Denkbar ist auch, dass die zweite Scaneinheit ohne eine zweite Strahlquelle ausgebildet ist und lediglich der Bewegung des Überwachungsbereichs der Sensoreinheit dient. Vorzugsweise lässt sich der Überwachungsbereich der Sensoreinheit über das gesamte Baufeld bewegen.
In einem Auswerteschritt können die erfassten Werte mit Simulationsergebnissen abgeglichen werden. Bei einer Abweichung können bspw. die Parameter der Simulation angepasst werden und neue Simulationsergebnisse mit den bisherigen Messwerten oder mit Messwerten aus einem neu aufgebauten Objekt, an dem das Verfahren in gleicher Weise durchgeführt wurde, abgeglichen werden. Alternativ kann ein Abweichen der gemessenen Werte von den Simulationsergebnissen auch verwendet werden, um einen Defekt zu identifizieren.
Das Verfahren kann an verschiedenen Stellen des Objekts zeitgleich mittels verschiedener Scaneinheiten, Strahlquellen und Sensoreinheiten durchgeführt werden. Hierdurch kann in rascher Abfolge ein großer Teil des zu bildenden Objekts geprüft werden.
Im Sinne der Erfindung ist auch, wenn der Scaneinheit mit der Strahlquelle, die die Bestrahlung im Rahmen des Verfahrens durchführt eine on-axis Sensoreinheit zugeordnet ist. Damit ist gemeint, dass der Überwachungsbereich dieser on-axis Sensoreinheit über die Scaneinheit auf den Zielpunkt der Scaneinheit bzw. der Strahlquelle gerichtet ist. Die Scaneinheit bewegt also den Zielpunkt der Strahlquelle sowie den Überwachungsbereich der on-axis Sensoreinheit.
Insbesondere ist eine Verfahrensführung im Sinne der Erfindung, bei der eine Herstellereinrichtung mit einer ersten Scaneinheit, einer entsprechenden ersten Strahlquelle und einer der ersten Scaneinheit zugeordnet ersten Sensoreinheit, die als on-axis Sensoreinheit ausgebildet ist, verwendet wird, wobei die Herstellereinrichtung eine zweite Scaneinheit mit einer entsprechenden zweiten Strahlquelle und einer der zweiten Scaneinheit zugeordneten zweiten Sensoreinheit, die ebenfalls als on-axis Sensoreinheit ausgebildet ist, aufweist. Bei dieser Variante wird vorzugsweise jeweils mit der on-axis Sensoreinheit die Bestrahlung mittels der jeweiligen Strahlquelle überwacht. Es werden also insbesondere zeitgleich Werte an unterschiedlichen Stellen eines aufzubauenden Objekts erfasst. Insbesondere kann ein derartiges Verfahren bei symmetrisch aufgebauten Objekten durchgeführt werden, wobei vorzugsweise die Verfahrensführung jeweils an symmetrisch zueinander angeordneten und gleich ausgebildeten Punkten durchgeführt wird.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert sind.
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Herstelleinrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts auf der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird;
2 eine schematische Draufsicht auf das Baufeld der Herstelleinrichtung, wobei eine mögliche Art der Verfahrensführung illustriert ist;
3 eine schematische Draufsicht auf das Baufeld der Herstelleinrichtung, wobei eine mögliche Art der Verfahrensführung illustriert ist;
4 eine schematische Draufsicht auf das Baufeld der Herstelleinrichtung, wobei eine weitere mögliche Art der Verfahrensführung illustriert ist; und
5 eine schematische Draufsicht auf das Baufeld der Herstelleinrichtung, wobei eine weitere mögliche Art der Verfahrensführung illustriert ist.

In 1 ist eine Herstelleinrichtung 10 gezeigt, auf der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Die Herstelleinrichtung 10 weist eine Objektbildungskammer 12 auf. In der Objektbildungskammer 12 ist eine Arbeitsfläche 14 angeordnet, die ein Baufeld 16 aufweist. In der Objektbildungskammer 12 ist ebenso eine Aufbringungseinrichtung 18 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel in Form einer Walze ausgebildet ist aber bspw. auch durch eine Rakel oder andersartig ausgebildet sein kann.
Pulverförmiges Aufbaumaterial 20, das vorliegend schichtartig auf dem Baufeld 16 angeordnet ist, ist lediglich schematisch und bereichsweise dargestellt, wobei die Darstellung stark vergrößert ist. Pro schichtweisem Aufbauvorgang werden typischerweise zwischen 1 µm und 200 µm, insbesondere zwischen 10 und 100 µm, insbesondere zwischen 20 und 40 µm, pulverförmiges Aufbaumaterial 20 schichtartig mittels der Aufbringungseinrichtung 18 über das Baufeld 16 verteilt.
Die Herstelleinrichtung 10 umfasst im vorliegenden Beispiel zwei Scaneinheiten 22. Der ersten Scaneinheit 22a ist eine erste Strahlquelle 24a zugeordnet und der zweiten Scaneinheit 22b ist eine zweite Strahlquelle 24b zugeordnet. Entsprechend ist den jeweiligen Scaneinheiten 22 eine jeweilige on-axis Sensoreinheit 26 sowie ein Strahlteiler 28 zugeordnet. Über den Strahlteiler 28 wird zum einen ein Überwachungsbereich 30 der Sensoreinheiten 26 auf die Scaneinheiten 22 geführt und zum anderen ein jeweiliger Strahl 32 der Strahlquellen 24 in den gleichen optischen Pfad eingekoppelt.
Die erste Strahlquelle 24a und die zweite Strahlquelle 24b sind in 1 im aktivierten Zustand gezeigt, sodass von ihnen jeweils ein erster Strahl 32a bzw. zweiter Strahl 32b ausgeht. Der jeweilige Strahl 32 ist über die Scaneinheit 22 auf das Baufeld 16 gerichtet.
Die Überwachungsbereiche 30 der Sensoreinheiten 26 sind über die jeweiligen Scaneinheiten 22 auf verschiedene Punkte des Baufeldes 16 richtbar. Der jeweilige Überwachungsbereich 30 der Sensoreinheit 26 ist auf einen Zielpunkt 36 der jeweiligen Scaneinheit 22 gerichtet. Der Zielpunkt 36 ist dabei derjenige Bereich auf dem Baufeld 16 auf den die Scaneinheit 22 den entsprechenden Strahl 32 führt. Die Sensoreinheiten 26 bzw. ihnen zugeordnete Optiken können dabei derart eingestellt sein, dass die Überwachungsbereiche 30 deckungsgleich mit den Zielpunkten 36 sind. Denkbar ist auch, dass sie die Zielpunkte 36 umfassen und einen umliegenden Bereich mit umfassen. Insbesondere können die Zielpunkte 36 sowie die Überwachungsbereiche 30 kreisförmig und konzentrisch zueinander angeordnet ausgebildet sein.
2 zeigt das Baufeld 16 der Herstelleinrichtung 10 in einer schematischen Draufsicht.
Ein Bauteil aus bereits verfestigtem Aufbaumaterial 20, also ein herzustellendes Objekt, trägt das Bezugszeichen 38. Vorliegend wird lediglich eine Scaneinheit 22 mit dem ihr zugeordneten Zielpunkt 36 sowie dem Erfassungsbereich 30 der ihr zugeordneten Sensoreinheit 26 erläutert.
Der Zielpunkt 36 der Strahlquelle 24 und der Überwachungsbereich 30 der Sensoreinheit 26 sind kreisförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet. Der Überwachungsbereich 30 umfasst den Zielpunkt 36 vollständig.
Zur Durchführung des Verfahrens wird nun auf den Zielpunkt 36, der auf einen Messzielpunkt 40, der auf dem Objekt 38 aus bereits verfestigtem Aufbaumaterial 20 angeordnet ist, eine Bestrahlung durchgeführt, deren Energiemenge derart ist, dass das bereits verfestigte Aufbaumaterial 20 nicht aufschmilzt.
Der Aufwärm- und der Abkühlprozess des Messzielpunkts 40 und dessen Umgebung, die durch den Überwachungsbereich 30 erfasst wird, werden mittels der Sensoreinheit 26 erfasst. Die Sensoreinheit 26 erfasst dabei die von dem im Überwachungsbereich 30 angeordneten Material aufgrund der Temperaturänderung emittierte Strahlung. Es wird also der zeitliche Temperaturverlauf im Überwachungsbereich erfasst. Die Sensoreinheit 26 kann dabei derart ausgebildet sein, dass sie einen über die Fläche des Überwachungsbereichs 30 gemittelten Wert der Temperatur erfasst oder diesen örtlich aufgelöst erfasst.
In 3 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert. Bei der Variante von 3 wird eine Konfiguration von Scaneinheiten 22, Strahlquellen 24 und Sensoreinheiten 26 verwendet, wie sie in 1 illustriert ist. Also eine erste Scaneinheit 22a mit einer ersten Strahlquelle 24a und einer ihr zugeordneten Sensoreinheit 26a. Entsprechend wird eine zweite Scaneinheit 22b mit einer zweiten Strahlquelle 24b und einer ihr zugeordneten Sensoreinheit 26b verwendet.
Die Verfahrensführung an jedem einzelnen der Messzielpunkte 40a und 40b entspricht dabei derjenigen von 2. Die jeweiligen Messungen werden simultan und an baugleichen Stellen des Bauteils 38 durchgeführt, wobei die jeweils durch die Sensoreinheiten 26 erfassten Werte miteinander in einem Auswerteschritt verglichen werden. Ergeben sich Abweichungen zwischen den erfassten Werten, so ist dies ein Indiz für einen Defekt. Gegebenenfalls kann dann ein Reparaturschritt durchgeführt werden, bei dem die Stelle mit vermutetem Defekt erneut aufgeschmolzen wird. Das erneute Aufschmelzen kann auch durch eine intensivere Bestrahlung in einer darüber liegenden neu aufgebrachten Schicht an pulverförmigem Aufbaumaterial 20 erfolgen.
In 4 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert. Bei der Variante von 4 ist der Überwachungsbereich 30b der zweiten Sensoreinheit beabstandet zu dem auf dem Messzielpunkt 40 angeordneten Zielpunkt 36a der ersten Scaneinheit 22a angeordnet. Dabei besteht über das Objekt 38 eine direkte Verbindung aus verfestigtem Aufbaumaterial zwischen dem Messzielpunkt 40 und dem Erfassungsbereich 30b der zweiten Sensoreinheit 22b. Durch die in 4 gezeigte Konfiguration kann das Wärmeleitverhalten in dem bereits verfestigten Objekt 38 gemessen werden. Hierzu wird die zeitliche Temperaturentwicklung im Überwachungsbereich 30b während und nach einer Bestrahlung des Messzielpunkts 40 erfasst.
In 5 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert. Bei der Variante von 5 ist der Überwachungsbereich 30b der zweiten Sensoreinheit beabstandet zu dem auf dem Messzielpunkt 40 angeordneten Zielpunkt 36a der ersten Scaneinheit 22a angeordnet. Der Überwachungsbereich 30a der ersten Sensoreinheit 26a ist konzentrisch zu dem auf dem Messzielpunkt 40 angeordneten Zielpunkt 36a der ersten Scaneinheit 22a angeordnet. Die zeitliche Temperaturentwicklung in beiden Überwachungsbereichen 30a und 30b wird während und nach der Bestrahlung des Messzielpunkts 40 erfasst. Im Beispiel von 5 wird das Verfahren auf noch nicht verfestigtem pulverförmigen Aufbaumaterial 20 durchgeführt. Die Intensität der Bestrahlung ist dabei derart, dass das noch nicht verfestigte Aufbaumaterial 20 nicht aufschmilzt. Die Konfiguration von 5 kann jedoch auch auf bereits verfestigtem Aufbaumaterial 20 angewandt werden. Entsprechend können auch die Arten den Verfahrensführung, insbesondere die dort gezeigten Anordnungen von Überwachungsbereich 30 und Messzielpunkt 40, der 2, 3 und 4 auf noch nicht verfestigtem Aufbaumaterial 20 angewandt werden.
Zur Erfassung der jeweiligen Temperaturverläufe wird die in den jeweiligen Überwachungsbereichen 30 von dem dort befindlichen Material emittierte Strahlung erfasst. Die Sensoreinheiten 26 können als Pyrometer ausgebildet sein. Insbesondere können die Sensoreinheiten Fotodioden umfassen. Sensoreinheiten können auch feststehende oder bewegliche Infrarot-Thermometer-Kameras sein, insbesondere deren „region of interest“ auf den jeweiligen Überwachungsbereich gerichtet ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Herstelleinrichtung (10) zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (38) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines, insbesondere pulverförmigen, Aufbaumaterials (20) innerhalb eines in einer Arbeitsfläche (14) liegenden Baufelds (16), wobei die Herstelleinrichtung (10) wenigstens eine Scaneinheit (22) aufweist, die ausgebildet und angeordnet ist, um einen durch die Scaneinheit (22) gesteuerten Strahl einer Strahlquelle (24), auf verschiedene Zielpunkte (36) auf dem Baufeld (16) zu richten, wobei die Herstelleinrichtung (10) eine Sensoreinheit (26) mit einem Überwachungsbereich (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bestrahlen eines Teilbereichs des Aufbaumaterials (20) innerhalb des Baufelds (16) in dem der Strahl (32) der Strahlquelle (24) mittels der Scaneinheit (22) auf das Aufbaumaterial (20) gerichtet wird, wobei die eingebrachte Energiemenge derart gewählt ist, dass das Aufbaumaterial (20) verfestigt wird, so dass ein Teilbereich des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (38) gebildet wird, ggf. richten des Überwachungsbereichs (30) auf oder in die Umgebung eines Messzielpunkts (40) auf dem verfestigten Teilbereich des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (38), Bestrahlen des Messzielpunkts (40), indem der Strahl (32) der Strahlquelle (24) mittels der Scaneinheit (22) auf den Messzielpunkt (40) gerichtet ist, wobei die eingebrachte Energiemenge derart gewählt ist, dass das bereits verfestigte Aufbaumaterial (20) durch die Bestrahlung nicht aufgeschmolzen wird, Erfassen der beim Aufwärmen und/oder Abkühlen des Messzielpunkts (40) im Überwachungsbereich (30) emittierten Strahlung mittels der Sensoreinheit (26), oder ggf. richten des Überwachungsbereichs (30) auf oder in die Umgebung eines Messzielpunkts (40) auf dem Baufeld (16) auf dem sich eine Schicht aus noch nicht verfestigtem Aufbaumaterial (20) befindet, Bestrahlen des Messzielpunkts (40), indem der Strahl (32) der Strahlquelle (24) mittels der Scaneinheit (22) auf den Messzielpunkt (40) gerichtet ist, wobei die eingebrachte Energiemenge derart gewählt ist, dass das noch nicht verfestigte Aufbaumaterial (20) durch die Bestrahlung nicht aufgeschmolzen wird, Erfassen der beim Aufwärmen und/oder Abkühlen des Messzielpunkts (40) im Überwachungsbereich (30) emittierten Strahlung mittels der Sensoreinheit (26).
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (26) den zeitlichen Verlauf der Temperatur im Überwachungsbereich (30) erfasst, insbesondere wobei der Überwachungsbereich (30) mit dem Messzielpunkt (40) überlappt, insbesondere diesen vollständig enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Auswerteschritt die erfassten Werte oder Werte, die im Auswerteschritt aus den erfassten Werten abgeleitet wurden, mit entsprechenden Werten einer anderen, insbesondere baugleichen, Stelle am gleichen Objekt (38) oder mit einer, insbesondere identischen, Stelle an einem in einem vorangegangenen Aufbauvorgang aufgebauten baugleichen Objekt (38) verglichen werden, insbesondere wobei aus dem Vergleich Rückschlüsse auf mögliche Materialfehler in dem Objekt (38) gezogen werden.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Auswerteschritt die erfassten Werte oder Werte, die im Auswerteschritt aus den erfassten Werten abgeleitet wurden, zur Identifikation eines Defekts im verfestigten Material (20) verwendet werden, insbesondere wobei ein Reparaturschritt durchgeführt wird, falls ein Defekt identifiziert wird, insbesondere wobei der Reparaturschritt das erneute Aufschmelzen der verfestigten Stelle mit dem Defekt umfasst.
Verfahren nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Reparaturschritt das erfindungsgemäße Verfahren erneut durchgeführt wird, ggf. ohne Reparaturschritt, falls sich bei der erneuten Durchführung ergibt, dass der Defekt durch den vorigen Reparaturschritt behoben wurde.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Auswerteschritt die erfassten Werte verwendet werden, um die Systemantwort oder Teile der Systemantwort, insbesondere die Aufheiz- oder die Abkühlkurve, des erwärmten Messzielpunkts (40) auf den Energieeintrag durch die Bestrahlung, die nicht zum Aufschmelzen ausreicht, zu ermitteln oder dass in dem Auswerteschritt die erfassten Werte verwendet werden, um die Zeitkonstante für einen erwärmten Messzielpunkt (40) zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Herstelleinrichtung (10) verwendet wird, die wenigstens eine zweite Scaneinheit (22b) aufweist, die ausgebildet und angeordnet ist, um einen durch diese Scaneinheit (22b) gesteuerten Strahl (32b) einer zweiten Strahlquelle (24b), auf verschiedene Zielpunkte (36b) auf dem Baufeld (16) zu richten, wobei die Sensoreinheit (26) der zweiten Scaneinheit (22b) zugeordnet ist, so dass ihr Überwachungsbereich (30) über die zweite Scaneinheit (22b) auf den Zielpunkt (36b) der zweiten Scaneinheit (22b) gerichtet ist, wobei die zweite Scaneinheit (22b) keinen Strahl der zweiten Strahlquelle (24b) auf ihren Zielpunkt (36b) richtet, während die Sensoreinheit (26) die Erfassung der Bestrahlung durch die erste Scaneinheit (22a) durchführt.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Auswerteschritt die erfassten Werte mit Simulationsergebnissen abgeglichen werden und bei einer Abweichung die Parameter der Simulation angepasst werden und neue Simulationsergebnisse mit den bisherigen Messwerten oder mit Messwerten aus einem neu aufgebauten Objekt (38), an dem das Verfahren in gleicher Weise durchgeführt wurde, abgeglichen werden.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an verschiedenen Stellen des Objekts (38) zeitgleich mittels verschiedener Scaneinheiten (22), Strahlquellen (24) und Sensoreinheiten (26) durchgeführt wird.