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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung und Regelung eines Energieaufnahmepotentials in der Interaktionszone eines Beleuchtungsstrahls mit einem Pulvergasstrahl.
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Bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung kommt in diversen Anwendungen ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff zum Einsatz. So ein Zusatzwerkstoff kann etwa ein Metallpulver, ein Kunststoffpulver, Hartstoffpartikel und Ähnliches umfassen. Dieses Prinzip wird zum Beispiel beim Laser-Pulver-Auftragschweißen oder beim 3D-Druck von metallischen Bauteilen und Strukturen eingesetzt. Vorzugsweise wird Pulver dabei in Form eines Pulver-Gas-Strahles in die Bearbeitungszone eingebracht.
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Für die Dosierung und Förderung des Pulvers kommen kommerziell erhältliche Pulverfördereinrichtungen zum Einsatz. Diese nutzen ein technisches Gas (bei Schweißanwendungen meist Inertgas) für die Erzeugung eines Pulver-Gas-Strahles. Durch spezielle Gestaltung der Laseroptik ist es möglich, derartige Pulver-Gas-Strahlen koaxial zum Laserstrahl zu erzeugen und auf die Bearbeitungszone auszurichten. Je nach Bearbeitungsaufgabe werden an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ausrichtung der beiden Strahlen hohe Anforderungen gestellt. Eine wesentliche Prozesskenngröße ist dabei der Auftragswirkungsgrad, der den Grad der Ausnutzung des zugeführten Pulvers in ein nutzbares Bauteilvolumen beschreibt. Dieser Faktor ist von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, da die eingesetzten Spezialpulver einen extrem hohen Materialwert haben und deren effizienter Einsatz für das Erreichen wirtschaftlicher Bauteilpreise von Bedeutung ist.
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Für die Ermittlung von Strahlkennzahlen wie Fokusdurchmesser, Fokuslage, Laser-Leistungsdichteverteilung, Pulvermassenstromdichte-Verteilung, Partikelgeschwindigkeit et cetera sind kommerzielle Geräte für den Labor- und Fertigungseinsatz erhältlich. Bekannt sind in diesem Zusammenhang etwa hochauflösende 3D-Scans, Einzelpartikelverfolgung, Geschwindigkeitsmessung und Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen. Zudem sind Pulvergasstrahlanalysegeräte, wie beispielsweise das PGSA von der Fraunhofer ILT Aachen, von Fraunhofer IWS Dresden oder von der Firma Trumpf, Ditzingen bekannt. Diese Geräte erzeugen dreidimensionale Abbildungen der Strahlkenngrößen für Laser oder Pulver, die dann für Simulationszwecke überlagert werden können.
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Eine detaillierte praktische Kontrolle dieser Simulationsergebnisse ist heute nicht möglich. Die empfindlichen Messsysteme für Laserstrahl und den Pulvergasstrahl können dem jeweils anderen Medium nicht schadlos ausgesetzt werden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, beide Strahlen unabhängig voneinander vor dem eigentlichen Bearbeitungsprozess zu vermessen. Die einzige Möglichkeit die Interaktion beider Strahlen inline im Prozess zu überwachen, sind Kamerasysteme, die das sogenannte Prozessleuchten in Echtzeit aufzeichnen können. Das Prozessleuchten entsteht durch eine Vielzahl an optischen und physikalischen Prozessen (Absorption, Reflektion, Schmelzen, Verdampfen, Ionisierung, Plasmaentstehung, Wärmestrahlung et cetera). Es ist daher immer ein kumuliertes Signal aus einer Vielzahl an Wellenlängen bei teils extrem hohen Leistungsdichten. Eine genaue ortsauflösende Information aus der dreidimensionalen Interaktionszone von Laserstrahl und Pulverstrahl kann aus dem Prozessleuchten nicht abgeleitet werden.
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Es ist gemäß öffentlich bekannter Lösungen häufig so, dass geometrische und kinematische Kennzahlen beider Strahlen, Laserstrahlen und Pulvergasstrahlen, vor dem eigentlichen Bearbeitungsprozess offline und getrennt voneinander ermittelt werden. Die so ermittelten Kennwerte werden dreidimensional erfasst und in ein gemeinsames 3D-Modell überführt, um charakteristische Interaktionsgrößen zu ermitteln und zu optimieren. Marktgängige Systeme zur Laserstrahlanalyse haben dabei eine weite praktische Durchdringung erfahren. Die Kombination aus hochwertigen optischen Präzisionsinstrumenten, leistungsfähiger Auswertesoftware und die verlässliche Berechenbarkeit von optischen Gesetzmäßigkeiten führen zu hervorragenden Abbildungsgenauigkeiten. Auf der anderen Seite sind die verfügbaren Systeme zur Analyse von Pulver-Gas-Strahlen damit verglichen noch sehr unausgereift. Hochauflösende Messdaten sind damit nur sehr schwierig zu ermitteln und durch eine Vielzahl an zu treffenden Annahmen mit hohen Unsicherheiten behaftet. Dies erschwert eine simulative Überlagerung von Laserstrahl und Pulvergasstrahl mit jeweils separat ermittelten Strahlkennwerten und macht diese sehr aufwendig und fehleranfällig. Viele Versuche das tatsächliche Interaktionsverhalten vorherzusagen gelingen daher nicht. Systemische Lösungsansätze sind nicht bekannt. Parameterkombinationen werden derzeit häufig empirisch ermittelt, wobei nicht belegbar ist, ob ein so gefundenes Optimum ein absolutes oder nur ein lokales Optimum darstellt. Im weiteren Umfeld sind Einzellösungen aus dem Stand der Technik als bekannt zu entnehmen, wobei meist nur ein bestimmter Aspekt fokussiert wird.
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So ist aus der Druckschrift
DE 10 2011 009 345 B3 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung einer Partikeldichteverteilung im Strahl einer Düse als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird der Strahl von der Seite oder durch die Düse hindurch mit einer Lichtquelle beleuchtet und von den Partikeln reflektierte optische Strahlung durch die Düse hindurch mit einer Kamera erfasst. Mit der Kamera werden dabei in zeitlicher Abfolge Bilder der reflektierten optischen Strahlung unterschiedlicher Schichten des Düsenstrahls aufgezeichnet, aus denen die Partikeldichteverteilung im Düsenstrahl bestimmt werden kann. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lässt sich der Pulvergasstrahl einer Pulverdüse beim Laserstrahl-Auftragschweißen vollständig charakterisieren. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine reproduzierbare Justage der Düse in der jeweiligen Anwendung. Dabei kann die ermittelte Partikeldichteverteilung sowohl zur Qualitätssicherung als auch zur Prozessmodellierung verwendet werden. Zwar werden in den einzelnen Stufen Lichtreflexionen ermittelt und für eine Auswertung der Partikeldichteverteilung herangezogen. Eine darüber hinausgehende Analyse der Leistungsparameter vor- und nach den Reflexionen und damit zusammenhängende Interaktionen wird aber nicht berücksichtigt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2005 022 095 A1 ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer lateralen Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird eine Oberfläche eines Werkstücks im Bereich eines Bearbeitungskopfes mit optischer Strahlung beleuchtet. Von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte optische Strahlung wird wiederholt mit einem optischen Detektor ortsaufgelöst erfasst, der mechanisch fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, um optische Reflexionsmuster zu erhalten. Die wiederholte Erfassung erfolgt in zeitlichen Abständen, bei denen zeitlich aufeinanderfolgende Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen des Werkstücks erhalten werden. Durch Vergleich der zeitlich aufeinanderfolgenden Reflexionsmuster wird die laterale Relativbewegung ermittelt. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen die berührungslose Messung der Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück mit einer hohen Genauigkeit. Eine darüber hinausgehende Analyse der Leistungsparameter vor- und nach der Reflexion und damit zusammenhängende Interaktionen wird aber nicht berücksichtigt.
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Ferner ist aus der Druckschrift
DE 10 2011 100 456 B4 ein extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißverfahren als bekannt zu entnehmen. Auch in dieser Druckschrift wird ein Laser zusammen mit einem Zusatzwerkstoff für die Bearbeitung von Werkstoffen oder Bauteilen zusammengebracht. Im Fokus steht dabei die Aufschmelzung des Zusatzwerkstoffs örtlich entfernt von dem eigentlichen Schmelzbad. Eine gesonderte Betrachtung der Interaktion zwischen den Leistungsparametern und dem Zusatzwerkstoff steht nicht explizit im Fokus dieser Offenbarung, insbesondere ein Reflexionsstrahl des Laserstrahls, welcher von dem Zusatzwerkstoff ausgeht, wird nicht gesondert betrachtet.
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Ein wesentlicher Einflussfaktor für Messfehler und Fehlinterpretationen der Pulver-Gas-Strahlvermessung sind sekundäre Beleuchtungseinrichtungen. Diese werden benötigt, um die mit hohen Geschwindigkeiten im Pulver-Gas-Strahl bewegten Partikel bildtechnisch mittels Kameras ortsaufgelöst erfassen zu können. Beleuchtungsstärken, Beleuchtungslängen, Blendeneinstellung, Belichtungszeiten und notwendige Annahmen über das Reflexions- und Bewegungsverhalten von Partikeln unterschiedlicher Beschaffenheit (Größe, Form, Werkstoff, Geschwindigkeit, Bahnrichtung, Verschattung) führen zu großen Unsicherheitsbereichen bei entsprechenden Messungen. Die Unsicherheiten der bekannten Systeme haben ihre Ursachen in einer strukturellen Schwäche im Aufbau der Beleuchtungssituation durch sekundäre Lichtquellen. Die Vielzahl der für eine rechnerische Korrektur notwendigen Operationen und Annahmen übersteigt gängige Modellierungsansätze.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein effizientes und einfach zu bedienendes Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um mit einer hohen Messgenauigkeit eine Messung und Regelung eines Energieaufnahmepotentials in der Interaktionszone eines Beleuchtungsstrahls mit einem Pulvergasstrahl vornehmen zu können.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Messung und Regelung eines Energieaufnahmepotentials in einer Interaktionszone eines Beleuchtungsstrahls mit einem Pulvergasstrahl bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Einschalten eines Pulvergasstrahls einer Bearbeitungsvorrichtung und Einschalten zumindest eines Beleuchtungsstrahls mit zumindest einem ersten definierten Leistungsparameter der Bearbeitungsvorrichtung, Ausrichten des Beleuchtungsstrahls zum Pulvergasstrahl, Erfassung der Rückreflexion des zumindest einen Beleuchtungsstrahls nach zumindest einer Interaktion mit dem Pulvergasstrahl mittels einer Sensorvorrichtung, wobei die Sensorvorrichtung ausgelegt ist, zumindest einen Verfahrensparameter von der Rückreflexion zu verarbeiten und wobei mittels des zumindest einen ersten definierten Leistungsparameters und dem zumindest einem Verfahrensparameter eine Steuereinheit der Bearbeitungsvorrichtung zumindest eine Aussage über zumindest eine der Interaktionen zwischen dem Pulvergasstrahl und dem Beleuchtungsstrahl ermittelt, sodass mittels dieser Aussage ein Energieaufnahmepotential in der Interaktionszone gemessen und geregelt werden kann.
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Mit anderen Worten ist ein Verfahren vorgesehen, welches zur Messung und Regelung des Energieaufnahmepotentials in der Interaktionszone eines Materialbearbeitungslaserstrahls mit einem Pulver-Gas-Strahl ausgelegt ist. Dem Funktionsprinzip liegt die Annahme zugrunde, dass die prozessrelevante Interaktion von Laserstrahl und Pulvergasstrahl in einem dreidimensionalen Raum zu komplexen Wechselwirkungen führt. Diese lassen sich mittels Feldgrößen beschreiben. Diese Feldgrößen sind beispielsweise ein Laserleistungsdichtefeld, eine Pulverpartikel-Größenverteilung (Siebfraktionierung, Korngrößen), ein Pulverpartikel-Dichtefeld, ein Pulverpartikel-Geschwindigkeitsprofil, eine Gasmolekülgeschwindigkeit, eine Laserleistungsabsorption an Partikeln, eine Laserleistungsreflexion an Partikeln, eine Laserleistungsstreuung an Partikeln. Auf diese Weise lässt sich somit ein effizientes und einfach zu bedienendes Verfahren bereitzustellen, um mit einer hohen Messgenauigkeit eine Messung und Regelung eines Energieaufnahmepotentials in der Interaktionszone eines Beleuchtungsstrahls mit einem Pulvergasstrahl vornehmen zu können.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Vorrichtung zur Messung und Regelung eines Energieaufnahmepotentials in der Interaktionszone eines Beleuchtungsstrahls mit einem Pulvergasstrahl bereitgestellt wird. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Bearbeitungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, einen Pulvergasstrahl und zumindest einen Beleuchtungsstrahl mit zumindest einem ersten und einem zweiten einstellbaren Leistungsparameter bereitzustellen, eine Sensorvorrichtung umfassend zumindest einen Detektor, wobei die Sensorvorrichtung ausgelegt ist eine Rückreflexion des zumindest einen Beleuchtungsstrahls nach zumindest einer Interaktion mit dem Pulvergasstrahl zu erfassen, wobei die Sensorvorrichtung ferner ausgelegt ist, zumindest einen Verfahrensparameter von der Rückreflexion zu verarbeiten und dass mittels des zumindest einen ersten definierten Leistungsparameters und dem zumindest einen Verfahrensparameter eine Steuereinheit der Bearbeitungsvorrichtung zumindest eine Aussage über zumindest eine der Interaktionen zwischen dem Pulvergasstrahl und dem Beleuchtungsstrahl ermittelt, sodass mittels dieser Aussage ein Energieaufnahmepotential in der Interaktionszone gemessen und geregelt werden kann. Die für das Verfahren genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die vorliegende Vorrichtung.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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So ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der zumindest eine Beleuchtungsstrahl der Bearbeitungsvorrichtung ausgelegt ist, mit zumindest einem zweiten Leistungsparameter zumindest einen Bearbeitungsschritt durchzuführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt demnach die Originalbeleuchtung des Bearbeitungssystems (beispielsweise ein Originallaser) als Beleuchtungseinrichtung für die Vermessung der Interaktionszone. Für die Messaufgabe beleuchtet die leistungsreduzierte Beleuchtung (beispielsweise ein Laser) durch die Originaloptik hindurch den mit Originalparametern erzeugten Pulvergasstrahl. Die Beleuchtung muss so dosiert werden, dass die Partikel genug Licht reflektieren, welches in entgegengesetzter Richtung zurück in den Strahlengang strahlt. Durch geeignete optische Systeme (beispielsweise selektive Spiegel, Fokussieroptik) kann diese Rückreflexion ausgekoppelt und auf eine Sensorvorrichtung, zum Beispiel einen Bildsensor, geleitet werden. Die digitale bildliche Darstellung der Rückreflexion enthält zwei für die Prozessregelung wichtige Hauptinformationen. Zum einen ist dies eine hochauflösende Ortsinformation über die Partikelverteilung entlang der Strahlachse (genau und auch nur genau der Teil des Pulver-Gas-Strahles, der tatsächlich real mit dem Lichtstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, interagiert) und zum anderen ein hochauflösendes ortsaufgelöstes Leistungsdichtesignal. Dieses Leistungsdichtesignal repräsentiert das von der Pulverdichte in der Interaktionszone abhängige Potential genau dieser Strahlparameterkombination, Laserleistung in fliegenden Pulverpartikel einzukoppeln. Es sei demnach auch als Energieaufnahmepotential benannt. Zu beachten ist, dass die reale Energieeinkopplung von weiteren Faktoren wie Absorptionsverhalten und Reflexionsverhalten abhängt und eine genaue Vorhersage (zum Beispiel der Partikeltemperatur oder Legierungsausbildung) sehr aufwendige Berechnungen und Modelle erfordert. Die messtechnische Ermittlung des Energieaufnahmepotentials gemäß des erfindungsgemäßen Prinzips soll nicht die Ermittlung der realen Einkopplung ersetzten. Sie soll nur die Modellbildung realer Einkopplungsbedingungen erleichtern, indem eine Vielzahl abhängiger Parametereinflüsse zu einem praktikablen Hilfswert kumuliert werden. Diese Hilfsgröße macht Annahmen über eine Vielzahl voneinander abhängigen und inline nicht messbaren Größen überflüssig. Für die Beleuchtung der Partikel zur analytischen Bilderzeugung wird der Pulvergasstrahl in der gleichen Richtung beleuchtet, wie er von der Bearbeitungsbeleuchtung, beispielsweise einem Bearbeitungslaser, unter Prozessbedingungen angestrahlt wird. Das so erhaltene kumulierte Rückstrahlsignal korreliert mit einem Energieaufnahmepotential unter Realbedingungen bei Einsatz einer Hochleistungsbeleuchtung, beispielsweise einem Hochleistungslaser. In einer Näherung kann zum Beispiel von einem proportionalen Verhältnis ausgegangen werden, was praktikable Regelstrategien ermöglicht.
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Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der zumindest eine Beleuchtungsstrahl koaxial zum Pulvergasstrahl ausgerichtet wird. Da die Beleuchtungsrichtung durch die Hochleistungsbeleuchtung, beispielsweise durch einen Hochleistungslaser, im Prozess koaxial zum Pulverstrahl liegt, wirken die oben genannten Einflussgrößen wie Reflexion, Absorption, Streuung und Verschattung im Realprozess in anderer Weise auf die Interaktion, als es eine davon abweichende sekundäre Beleuchtung sicherstellen kann. Die Vielzahl der für eine rechnerische Korrektur notwendigen Operationen und Annahmen übersteigt, wie bereits gesagt, gängige Modellierungsansätze. Die höchste Güte einer auf die Interaktion mit der Hochleistungsbeleuchtung, beispielsweise einem Hochleistungslaser, orientierten Vermessung des Pulver-Gas-Strahles stellt somit eine Beleuchtung in koaxialer Richtung sicher. Werden zusätzlich zur gleichen Richtung auch Wellenlänge, Fokussierung und Leistungsdichtegradienten analog zu einem Realprozess genutzt, können Messsignale mit hoher Verlässlichkeit und Vergleichbarkeit erwartet werden. Diesen Anforderungen wird die bereits vorhandene Beleuchtungsvorrichtung, beispielsweise ein Bearbeitungslaser, in idealer Weise gerecht. Der einzig notwendige Unterschied zwischen dem Messprozess und dem Bearbeitungsprozess ist die Leistung, beispielsweise die Laserleistung. Diese muss für eine Vermessung des Pulverstrahls so klein gehalten werden, dass kein Prozessleuchten (Schmelzen, Verdampfen, Plasmaentstehung) erzeugt wird, sondern nur ein Beleuchtungseffekt auftritt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird unmittelbar die Beleuchtungsvorrichtung, beispielsweise ein Primärlaser, zur koaxialen Beleuchtung verwendet.
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Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der zumindest eine Beleuchtungsstrahl ein Laserstrahl ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel könnte unmittelbar beispielsweise ein Primärlaser zur koaxialen Beleuchtung verwendet werden. Sofern nötig, wird dieser im Messmodus mit einem Minimum seiner Nennleistung betrieben. Ziel ist es, statt eines bearbeitenden Energieeintrags nur eine Beleuchtung für die Bildanalyse sicherzustellen. Das anvisierte Ziel ist die Angabe eines Energieaufnahmepotentiales für die Parameterkombination von Laser und Pulverstrahl. Das erhältliche Messergebnis hat den Vorteil, als direkte Prozessregelgröße in einen automatisierten Bearbeitungsprozess einfließen zu können. Eine automatische Anlage könnte mit vorgewählten Parametern den Pulvergasstrahl erzeugen und diesen in einer Messposition mit dem Primärlaser bei geringer Leistung koaxial beleuchten. Das in Sekundenbruchteilen inline ermittelbare Energieaufnahmepotential kann mit hinterlegten Werten verglichen werden. Durch Anpassung der Interaktionszone (zum Beispiel Verschiebung der Fokuslagen von Laserfokus und Pulverfokus) können in Sekundenbruchteilen Einstellwerte mit verbesserten Energieaufnahmepotential gesucht und gegebenenfalls gefunden werden. Unmittelbar anschließend an diese Selbstoptimierung kann die Anlage den Bearbeitungspunkt anfahren und mit voller Laserleistung den Bearbeitungsprozess beginnen.
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Des Weiteren ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Rückreflexion mittels zumindest einer Strahlvorrichtung ausgekoppelt wird. Die zuvor genannten Vorteile lassen sich somit noch besser erreichen.
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Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung zumindest einen Detektor umfasst. Der Detektor kann auch als Rückstrahlungsdetektor bezeichnet werden. So ein Detektor für etwa eine zweidimensionale Abbildung der Reflexionsstrahlung ist beispielsweise im Strahlengang der Bearbeitungsoptik angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass genau die koaxiale Rückstrahlung detektiert wird. Der Detektor kann bezüglich seiner Sensitivität an die Rückstrahlwellenlänge angepasst werden. Er ist vorzugsweise als CCD-Array im Megapixel-Bereich (zum Beispiel mindestens 1.000 x 1.000 Bildpunkte; 1 > Megapixel) ausgeführt. Es können auch kommerziell erhältliche CCD-Kameras zur Anwendung kommen, die heute Aufnahmewiederholraten im Millisekundenbereich ermöglichen. Die bildgebende Ausgabe in Form eines Graubildes ist so einfach möglich, aber nicht das eigentlich angestrebte Ausgabeformat für das Messergebnis. Das anvisierte Ziel ist die Angabe eines Energieaufnahmepotentials für die Parameterkombination von Laser und Pulverstrahl. Da jede einzelne CCD-Zelle des Arrays bei der Belichtung eine Ladungsmenge speichert, die proportional zur eingefallenen Lichtmenge ist, ist die kumulierte Ladungsmenge aller CCD-Zellen ein geeignetes Maß, um über die Menge der Rückstrahlung auf das Aufnahmepotential zu schließen. Das direkte Auslesen aus dem Chip und das Speichern der Ladungsmenge je Zelle ohne den Umweg der Graubildgenerierung ermöglicht es, diese Primärinformation für weitere Berechnungen bereitzustellen. Diese können zum Beispiel in einer kumulierten Momentanleistung bestehen, aber auch eine hochauflösende zweidimensionale Auswertung sein. Das so erhältliche Messergebnis hat, wie bereits gesagt, gegenüber allen bekannten genannten Systemen den Vorteil, als direkte Prozessgröße in den automatisierten Bearbeitungsprozess einfließen zu können.
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Zudem ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass vor der Sensorvorrichtung in einem Bereich der Rückreflexion zumindest eine Lochblende vorgesehen wird. Eine weitere Option stellt die Verwendung einer Lochblende oder ähnlicher Abschirmung dar. Diese kann zur Abschirmung der Rückstrahlung aus Pulverstrahl-Bereichen unterhalb der angenommenen Bauteiloberfläche oder jenseits der Strahltaille des Pulvergasstrahles nützlich sein.
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Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der zumindest eine Beleuchtungsstrahl ein Laserstrahl ist und/oder der zumindest eine Beleuchtungsstrahl von zumindest einer zweiten Lichtquelle ausgesendet wird. Wenn erforderlich kann das Prinzip der koaxialen Beleuchtung auch durch eine sekundäre Lichtquelle in der Optik ergänzt werden. Beispielsweise dann, wenn zusätzlich das Reflexionsverhalten für andere Wellenlängenbereiche als etwa des Bearbeitungslasers ermittelt werden soll. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das System ohne zusätzliche Beleuchtung und einem im Strahlengang angeordneten Rückstrahlungsdetektor am kompaktesten und einfachsten aufgebaut ist. Es schränkt die Bewegungsfähigkeit und Zugänglichkeit des Bearbeitungskopfes nicht ein. Sofern das während der Messung abgestrahlte Pulver nicht zu störenden Verschmutzungen führt, kann der Messprozess sogar unabhängig von einer festen Messposition ausgeführt werden. Die Anlage könnte in beliebiger Position jederzeit die Bearbeitung stoppen und in den Messmodus wechseln und anschließend die Bearbeitung mit neuen Parametern fortsetzen.
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Des Weiteren ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest eine zweite Lichtquelle ein Pilotlaser oder eine Lichtquelle mit einem benutzerdefiniert einstellbaren Wellenlängenbereich ist. Es können also alternativ auch andere Leuchtquellen koaxial eingekoppelt werden, zum Beispiel ein Pilotlaser oder eine Lichtquelle mit anderem Wellenlängenbereich. Dabei besteht der Vorteil, dass diese Messbeleuchtung die optischen Verhältnisse des Realprozesses exakt nachbildet. Das Prinzip der Rückführung von optischen Signalen in die Bearbeitungsoptik, wie beispielsweise beim Aufnehmen des Prozessleuchtens, ist vorliegend deswegen besonders, da eine Beleuchtung mit Laserlicht bestimmter Wellenlänge hier auch nur für eine wellenlängenabhängige Rückstrahlung sorgt. Die Entstehung von sichtbaren Licht, UV-Strahlung oder IR-Strahlung bei der Beleuchtung von Partikeln ist möglich, aber nicht zwingend erforderlich oder angestrebt. Der verwendete Detektor zur Erfassung der Rückstrahlung muss demnach für den entsprechenden Wellenlängenbereich sensitiv sein.
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Das Prinzip der koaxialen Beleuchtung muss nicht zwingend mit Detektion der koaxialen Rückstrahlung gekoppelt werden. Die koaxiale Beleuchtung markiert gewissermaßen den Teil des dreidimensionalen Pulver-Gas-Strahles, der mit dem Laserstrahl interagiert. Die damit koaxial angestrahlten Partikel reflektieren auch Laserstrahlung in radiale Raumrichtung, in der die Kamerasysteme bekannter PGSA-Geräte angeordnet sind. Dort detektierte Rückstrahlung kann aufgrund der orthogonal zur Strahlachse stehenden Blickachse Tiefeninformationen aus dem Pulvergasstrahl optisch abbilden. Vorteil gegenüber der nicht koaxialen Beleuchtung ist, dass auch nur Partikel abgebildet werden, die sich tatsächlich im Laserstrahlungsfeld befinden. Bei diesem Prinzip können leichter dreidimensionale Pulverdichten vermessen werden. Auch eine Kombination beider Messverfahren mit koaxialer Beleuchtung und radialer Beleuchtung wäre sinnvoll. Der zweistufige Messprozess könnte wie folgt gestaltet sein:
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Die radiale Beleuchtung stellt eine Art Werkzeugeinstellgerät zur Vermessung und Einstellung der Strahlformung des Pulvergasstrahles dar. Eine Düse und ein Pulverfördersystem werden auf Funktion und Reproduzierbarkeit getestet, zum Beispiel nach einem Düsenwechsel, einer Wartung, einer Reinigung, eines Pulverwechsels, eines Verschleißteilwechsels oder allgemein nach einer Störung. Hierfür wird der gesamte Pulvergasstrahl von einer Düsenkante bis zum Fokus radial durch eine Sekundärlichtquelle beleuchtet. Dann wird der gemäß zuvor genannten Schritten vorvermessene Pulver-Gas-Strahl koaxial beleuchtet, um die Interaktionszone mit dem Bearbeitungslaser zu vermessen und das Energieaufnahmepotential dieser Parameterkombination zu ermitteln. Bei bekannten Lösungen zur bildgebenden Analyse von Pulver-Gasstrahlen, welche teilweise schon mit koaxial in den Strahlengang der Bearbeitungsoptik blickenden Kameraeinrichtungen und teilweise auch mit außerhalb angebrachten Kameras arbeiten, werden ausschließlich sekundäre Lichtquellen zur Beleuchtung beziehungsweise Anstrahlen oder Aktivierung der Pulverpartikel (zum Beispiel einer radialen Beleuchtungsrichtung zur Pulver-Gas-Strahl-Richtung) eingesetzt und nicht, wie vorgestellt, mit einer Beleuchtungseinrichtung, welche gleichzeitig mit anderem Leistungsparameter auch für Bearbeitungszwecke eingesetzt werden kann.
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Eingesetzt werden kann das Verfahren beziehungsweise die Vorrichtung beispielsweise in Anlagen zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen, beim 3D-Druck von Metall- und Kunststoffteilen oder etwa beim Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißen von beispielsweise Bremsscheiben. Generell lässt sich zudem das vorgestellte Verfahren beziehungsweise die Vorrichtung beispielsweise bei allen Laserbearbeitungsprozessen, bei denen Rückreflexionen von Laserstrahlintensitäten unterhalb der Wirkschwelle der bearbeitungsrelevanten Laserleistungsdichte geeignete Prozessinformationen liefern können, einsetzen. Geeignete Prozessinformationen können zum Beispiel ein Oberflächenzustand (staubig, feucht, ölig, rau, löchrig, porig, beschichtet unbeschichtet, strukturiert) oder ein Bearbeitungsabstand sein.
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Beispielsweise kann das Verfahren beziehungsweise die Vorrichtung bei Hartmetallbeschichteten Bremsscheiben eingesetzt werden.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrenskonzepts zur Messung und Regelung eines Energieaufnahmepotentials in der Interaktionszone eines Beleuchtungsstrahls mit einem Pulvergasstrahl.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrenskonzepts zur Messung und Regelung eines Energieaufnahmepotentials in der Interaktionszone 10 eines Beleuchtungsstrahls 12 mit einem Pulvergasstrahl 14. Schematisch dargestellt ist zudem zumindest ein Teilbereich einer Bearbeitungsvorrichtung 16. Ein diagonaler Strich, welcher bezogen auf die Bildebene von links nach rechts oben weist und innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung 16 eingezogen ist, stellt eine Strahlvorrichtung 18 dar. Diese Strahlvorrichtung 18 kann etwa eine jegliche geeignete Spiegelvorrichtung beziehungsweise ein selektiver Spiegel und/oder eine Fokussieroptik umfassen, welche somit eine rechtwinklig zum Beleuchtungsstrahl 12 dargestellte Rückreflexion 20 ausgehend von der Interaktionszone 10 letztendlich in eine ebenfalls schematisch dargestellte Sensorvorrichtung 22 lenkt. Der Beleuchtungsstrahl 12 kann beispielsweise ein Laserstrahl sein. Die gezeigte Führung der Rückreflexion 20 ist lediglich beispielhaft dargestellt und es ließen sich beliebige andere Wege der Rückflexion 20 ausgehend von der Interaktionszone 10 vorstellen, solange zumindest ein Verfahrensparameter von der Sensorvorrichtung 22 erfasst und verarbeitet werden kann. In der 1 ist zudem schematisch eine Steuereinheit 24 dargestellt, wobei ein Blockpfeil eine funktionale Verbindung zu der Bearbeitungsvorrichtung 16 darstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Interaktionszone
- 12
- Beleuchtungsstrahl
- 14
- Pulvergasstrahl
- 16
- Bearbeitungsvorrichtung
- 18
- Strahlvorrichtung
- 20
- Rückreflexion
- 22
- Sensorvorrichtung
- 24
- Steuereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011009345 B3 [0007]
- DE 102005022095 A1 [0008]
- DE 102011100456 B4 [0009]
