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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft additive Fertigungsmaschinen oder genauer gesagt ein Kalibrierungssystem für eine additive Fertigungsmaschine.
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HINTERGRUND
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Additive Fertigungs- (AF) Prozesse bedingen im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsverfahren im Allgemeinen das Aufbauen eines oder mehrerer Werkstoffe, um ein endkonturgenaues oder endkonturnahes (NNS) Objekt herzustellen. Obwohl die „additive Fertigung“ ein industrieller Standardbegriff ist (ISO/ASTM52900), umfasst die AF diverse Techniken für Fertigung und Prototypenbau, die unter diversen Bezeichnungen bekannt sind, wozu Freiformfertigung, 3D-Drucken, schnelle Bereitstellung von Prototypen/Werkzeugen usw. gehören. Die AF-Techniken sind in der Lage, komplexe Einzelteile aus vielen verschiedenen Werkstoffen anzufertigen. Im Allgemeinen kann ein freistehendes Objekt nach einem computerunterstützten Konstruktions- (CAD) Modell angefertigt werden.
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Eine bestimmte Art von AF-Prozess verwendet eine Energiequelle, wie etwa eine Bestrahlungsrichtvorrichtung, die einen Energiestrahl, beispielsweise einen Elektronenstrahl oder einen Laserstrahl, richtet, um einen Pulverwerkstoff zu sintern oder zu schmelzen, wodurch ein festes dreidimensionales Objekt entsteht, in dem die Partikel des Pulverwerkstoffs zusammengeklebt sind. Die AF-Prozesse können verschiedene Werkstoffsysteme oder additive Pulver, wie etwa technische Kunststoffe, thermoplastische Elastomere, Metalle und/oder Keramik verwenden. Das Lasersintern oder Schmelzen ist ein bemerkenswerter AF-Prozess für die schnelle Anfertigung von funktionsfähigen Prototypen und Werkzeugen. Die Anwendungen umfassen die direkte Fertigung von komplexen Werkstücken, Mustern für das Präzisionsgießen, Metallformen für Spritzgießen und Druckgießen und Formen und Kernen für Sandgießen. Die Anfertigung von Prototypobjekten, um die Kommunikation zu verbessern, und das Testen von Konzepten während des Entwurfszyklus sind andere übliche Verwendungen von AF-Prozessen.
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Das selektive Lasersintern, das direkte Lasersintern, das selektive Laserschmelzen und das direkte Laserschmelzen sind übliche Begriffe aus der Industrie, die verwendet werden, um sich auf die Produktion von dreidimensionalen (3D) Objekten unter Verwendung eines Laserstrahls, um ein feines Pulver zu sintern oder zu schmelzen, zu beziehen. Genauer gesagt bedingt das Sintern das Verschmelzen (Agglomerieren) der Partikel eines Pulvers bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Pulverwerkstoffs, wohingegen das Schmelzen ein vollständiges Einschmelzen der Partikel eines Pulvers bedingt, um eine feste gleichförmige Masse zu bilden. Die physikalischen Prozesse, die mit dem Lasersintern oder dem Laserschmelzen verbunden sind, umfassen eine Wärmeübertragung auf einen Pulverwerkstoff und dann entweder das Sintern oder das Schmelzen des Pulverwerkstoffs. Obwohl die Lasersinter- und Laserschmelzprozesse auf zahlreiche Pulverwerkstoffe anwendbar sind, sind die wissenschaftlichen und technischen Aspekte des Produktionsablaufs, beispielsweise die Sinter- oder Schmelzrate, und die Wirkungen der Verarbeitungsparameter auf die mikrostrukturelle Entwicklung während des Schichtfertigungsprozesses noch weitgehend unklar. Dieses Anfertigungsverfahren geht mit mehreren Modalitäten von Wärme-, Masse- und Impulsübertragung und chemischen Reaktionen einher, die den Prozess sehr komplex machen.
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Während des direkten Metalllasersinterns (DMLS) oder des direkten Metalllaserschmelzens (DMLM) baut ein Gerät Objekte schichtweise auf, indem es einen Pulverwerkstoff unter Verwendung eines Energiestrahls sintert oder schmilzt. Das durch den Energiestrahl zu schmelzende Pulver wird gleichmäßig über ein Pulverbett auf einer Aufbauplattform verteilt, und der Energiestrahl sintert oder schmilzt eine Querschnittsschicht des gerade gebauten Objekts unter der Kontrolle einer Bestrahlungsrichtvorrichtung. Die Aufbauplattform wird abgesenkt, und eine andere Pulverschicht wird über das Pulverbett und das gerade aufgebaute Objekt verteilt, worauf aufeinanderfolgendes Schmelzen/Sintern des Pulvers folgt. Der Prozess wird wiederholt, bis das Teil vollständig aus dem geschmolzenen/gesinterten Pulverwerkstoff aufgebaut ist.
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Nachdem die Anfertigung des Teils beendet ist, können diverse Nachbearbeitungsverfahren auf das Teil angewendet werden. Die Nachbearbeitungsverfahren umfassen das Entfernen von überschüssigem Pulver, beispielsweise durch Abblasen oder Absaugen. Andere Nachbearbeitungsverfahren umfassen einen Entspannungsprozess. Zusätzlich können thermische, mechanische und chemische Nachbearbeitungsverfahren verwendet werden, um das Teil fertigzustellen.
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Um den additiven Fertigungsprozess zu überwachen, umfassen gewisse herkömmliche additive Fertigungsmaschinen Schmelzbadüberwachungssysteme. Die Überwachungssysteme umfassen typischerweise eine oder mehrere Kameras oder Lichtsensoren zum Detektieren von Licht, das von dem Schmelzbad, das durch den Energiestrahl erzeugt wird, abgestrahlt oder anderweitig emittiert wird. Die Kamera- oder Sensorwerte können verwendet werden, um die Qualität des Aufbaus während des Aufbauprozesses oder nach seiner Beendigung zu bewerten. Die Qualitätsbewertung kann verwendet werden, um den Aufbauprozess zu justieren, um den Aufbauprozess anzuhalten, um Anomalien des Aufbauprozesses ausfindig zu machen, um eine Warnung an den Maschinenbediener auszugeben, und/oder um zweifelhafte oder minderwertige Teile zu identifizieren, die sich aus dem Aufbau ergeben. Häufig sind diese Schmelzbadüberwachungssysteme jedoch nicht kalibriert, so dass nicht bestimmt werden kann, ob die Variationen der Kamera- oder Sensorsignale das Ergebnis von Variationen des additiven Aufbauprozesses oder des Schmelzbads sind oder das Ergebnis von Variationen des Schmelzbadüberwachungssystems selber sind, wenn man die Daten von mehreren Maschinen vergleicht. In der Praxis wurde die additive Fertigung hauptsächlich zum Prototypenbau und zur Produktion kleiner Chargen verwendet, wobei die Schmelzbadüberwachung als Forschungs- und Entwicklungshilfsmittel statt zur Beurteilung der Qualität der Teile verwendet wurde. Das jüngste Aufkommen von Massenproduktionsanwendungen, bei denen die Wiederholbarkeit von Aufbau zu Aufbau und von Maschine zu Maschine wesentlich kritischer ist, hat die Bedeutung der Schmelzbadüberwachung als Qualitätshilfsmittel hervorgehoben.
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US 2018/0185963 A1 beschreibt ein additives Fertigungssystem, bei dem es sich um ein Direct Metal Laser Melting (DMLM)-System handeln kann und das eine Bauplatte sowie eine Laservorrichtung umfasst. Das Fertigungssystem sieht es vor, dass ein Laserstrahl über eine Abtastvorrichtung selektiv über die Bauplatte gelenkt wird und ein optisches System zur Überwachung eines durch den Laserstrahl erzeugten Schmelzbads eingesetzt wird. Sofern eine Abweichung im Schmelzbad festgestellt wird, kann eine Rechenvorrichtung und/oder eine Steuerung eine Anpassung des Laserstrahls vornehmen.
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US 2016/0185048 A1 beschreibt eine Multi-Sensor-Qualitätsinferenz und -kontrolle für additive Fertigungsprozesse.
US 2017/0266762 A1 beschreibt eine schichtbasierte Fehlererkennung mit normalisierten Sensordaten.
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Entsprechend wäre eine additive Fertigungsmaschine mit verbesserten Kalibrierfunktionen nützlich. Genauer gesagt wären ein System und Verfahren zum Kalibrieren eines Schmelzbadüberwachungssystems einer additiven Fertigungsmaschine besonders günstig.
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KURZ DARSTELLUNG
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Die Aspekte und Vorteile werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt oder können aus der Beschreibung hervorgehen oder können durch die Umsetzung der Erfindung in die Praxis erlernt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Gegenstands wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines Schmelzbadüberwachungssystems einer additiven Fertigungsmaschine bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Beleuchten einer oder mehrerer elektromagnetischer Energiequellen in einer oder mehreren festgelegten Positionen in der additiven Fertigungsmaschine und das Messen der elektromagnetischen Energie, die von der einen oder den mehreren elektromagnetischen Energiequellen emittiert wird, unter Verwendung des Schmelzbadüberwachungssystems. Das Verfahren umfasst ferner das Vergleichen der gemessenen elektromagnetischen Energie mit einem Messnormal und das Justieren des Schmelzbadüberwachungssystems, so dass ein Signal, das mit der gemessenen elektromagnetischen Energie verbunden ist, im Wesentlichen mit dem Messnormal identisch ist.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Kalibrierungssystem für ein Schmelzbadüberwachungssystem einer additiven Fertigungsmaschine bereitgestellt. Das Kalibrierungssystem umfasst einen Beleuchtungsmontagemechanismus, der an gewünschten Stellen innerhalb der additiven Fertigungsmaschine positionierbar ist, und eine oder mehrere elektromagnetische Energiequellen, die an dem Beleuchtungsmontagemechanismus montiert sind, wobei die eine oder die mehreren elektromagnetischen Energiequellen ein Messnormal definieren, wenn sie eingeschaltet sind.
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Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die beiliegenden Ansprüche besser verständlich werden. Die beiliegenden Zeichnungen, die in die vorliegende Beschreibung übernommen werden und Teil davon sind, bilden Ausführungsformen der Erfindung ab und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, gewisse Grundsätze der Erfindung zu erklären.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine vollständige und grundlegende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihrer besten Ausführungsform, die sich an den Fachmann richtet, wird in der Beschreibung dargelegt, die sich auf die beiliegenden Figuren bezieht. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer additiven Fertigungsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gegenstands.
- 2 eine schematische Nahansicht einer Aufbauplattform der beispielhaften additiven Fertigungsmaschine aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gegenstands.
- 3 eine Kalibrierungsbaugruppe der beispielhaften additiven Fertigungsmaschine aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gegenstands.
- 4 eine Kalibrierungsbaugruppe der beispielhaften additiven Fertigungsmaschine aus 1 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gegenstands.
- 5 ein Verfahren zum Kalibrieren einer additiven Fertigungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen ist dazu gedacht, die gleichen oder ähnliche Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung darzustellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es wird nun ausführlich auf die Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen abgebildet sind. Jedes Beispiel wird als Erklärung und nicht zur Einschränkung der Erfindung bereitgestellt. In der Tat wird es für den Fachmann ersichtlich sein, dass diverse Änderungen und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform abgebildet sind oder beschrieben werden, mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine andere Ausführungsform zu ergeben. Somit ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Änderungen und Variationen abdeckt, die zum Umfang der beiliegenden Ansprüche und ihrer Äquivalente gehören.
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Wie sie hier verwendet werden, können die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ austauschbar verwendet werden, um ein Einzelteil von einem anderen zu unterscheiden, und sind nicht dazu gedacht, eine Stellung oder Bedeutung der einzelnen Einzelteile zu bedeuten. Zudem beziehen sich Näherungsbegriffe, wie sie hier verwendet werden, wie etwa „ungefähr“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ auf etwas, das sich in einer Fehlerspanne von zehn Prozent befindet.
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Ein System und Verfahren zum Kalibrieren eines Schmelzbadüberwachungssystems einer additiven Fertigungsmaschine umfasst das Installieren eines Kalibrierungssystems an der Maschine und das Ausführen eines Kalibrierprozesses. Insbesondere umfasst das Kalibrierungssystem eine Kalibrierungsplattform, die auf einer Aufbauplattform der additiven Fertigungsmaschine abnehmbar montierbar ist und auf der kalibrierte elektromagnetische Energiequellen zum Definieren eines Messnormals montiert sind. Die erzeugte elektromagnetische Energie wird durch das Schmelzbadüberwachungssystem gemessen und mit dem bekannten Messnormal verglichen, um zu bestimmen, ob Systemjustierungen die Prozesstoleranzen oder die Einheitlichkeit verbessern würden.
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Mit Bezug auf 1 wird ein Laserschmelzsystem mit Pulverbett, wie etwa ein DMLS- oder DMLM-System 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie abgebildet, umfasst das System 100 eine feste Einhausung 102, die eine schadstofffreie und kontrollierte Umgebung zum Ausführen eines additiven Fertigungsprozesses bereitstellt. In dieser Hinsicht dient beispielsweise die Einhausung 102 dazu, die anderen Einzelteile des Systems 10 zu isolieren und zu schützen. Zudem kann die Einhausung 102 mit einer Strömung eines geeigneten Schutzgases, wie etwa Stickstoff, Argon oder eines anderen geeigneten Gases oder einer Gasmischung, versehen sein. In dieser Hinsicht kann die Einhausung 102 einen Gaseinlassstutzen 104 und einen Gasauslassstutzen 106 definieren, um eine Gasströmung, um ein statisches unter Druck stehendes Volumen zu erstellen, oder eine dynamische Gasströmung zu empfangen.
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Die Einhausung 102 kann im Allgemeinen einige oder alle Einzelteile des AF-Systems 100 enthalten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das AF-System 100 im Allgemeinen einen Maschinentisch 110, eine Pulverzufuhr 112, einen Abstreif- oder Nachbeschichtungsmechanismus 114, einen Überlaufbehälter oder ein Reservoir 116 und eine Aufbauplattform 118, die im Innern der Einhausung 102 positioniert ist. Zudem erzeugt eine Energiequelle 120 einen Energiestrahl 122, und ein Strahlsteuerungsgerät 124 richtet den Energiestrahl 122, um den AF-Prozess zu ermöglichen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. Jedes dieser Einzelteile wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
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Gemäß der abgebildeten Ausführungsform ist der Maschinentisch 110 eine starre Struktur, die eine ebene Aufbaufläche 130 definiert. Zudem definiert die planare Aufbaufläche 130 eine Aufbauöffnung 132, durch welche die Aufbaukammer 134 zugänglich ist. Genauer gesagt ist gemäß der abgebildeten Ausführungsform die Aufbaukammer 134 mindestens teilweise durch die senkrechten Wände 136 und die Aufbauplattform 118 definiert. Zudem definiert die Aufbaufläche 130 eine Zufuhröffnung 140, durch die additives Pulver 142 von der Pulverzufuhr 112 zugeführt werden kann, und eine Reservoiröffnung 144, durch die überschüssiges additives Pulver 142 in das Überlaufreservoir 116 gehen kann. Die gesammelten additiven Pulver können wahlweise bearbeitet werden, um lose, agglomerierte Partikel vor einer Wiederverwendung auszusieben.
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Die Pulverzufuhr 112 umfasst im Allgemeinen einen additiven Pulverzufuhrbehälter 150, der im Allgemeinen ein Volumen von additivem Pulver 142 enthält, das für einige oder alle additiven Fertigungsprozess für ein oder mehrere spezifische Teile ausreicht. Zudem umfasst die Pulverzufuhr 112 eine Zufuhrplattform 152, die eine plattenartige Struktur ist, die in der senkrechten Richtung innerhalb des Pulverzufuhrbehälters 150 bewegbar ist. Genauer gesagt trägt ein Zufuhrstellglied 154 eine Zufuhrplattform 152 senkrecht und bewegt sie während des additiven Fertigungsprozesses selektiv auf und ab.
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Das AF-System 100 umfasst ferner den Nachbeschichtungsmechanismus 114, der eine starre, seitlich verlängerte Struktur ist, die sich in der Nähe der Aufbaufläche 130 befindet. Beispielsweise kann der Nachbeschichtungsmechanismus 114 ein harter Abstreifer, ein weicher Gummiwischer oder eine Rolle sein. Der Nachbeschichtungsmechanismus 114 ist mit einem Nachbeschichtungsstellglied 160, das betriebsfähig ist, um den Nachbeschichtungsmechanismus 114 entlang der Aufbaufläche 130 selektiv zu bewegen, betriebsfähig gekoppelt. Zudem ist ein Plattformstellglied 164 mit der Aufbauplattform 118 betriebsfähig gekoppelt und ist im Allgemeinen betriebsfähig, um die Aufbauplattform 118 in der senkrechten Richtung während des Aufbauprozesses zu bewegen. Obwohl die Stellglieder 154, 160 und 164 als hydraulische Stellglieder abgebildet sind, versteht es sich, dass eine beliebige andere Art und Konfiguration von Stellgliedern gemäß alternativen Ausführungsformen verwendet werden kann, wie etwa Druckluftstellglieder, Hydraulikstellglieder, linearen elektrischen Stellgliedern mit Kugelumlaufspindel oder beliebigen anderen geeigneten senkrechten Trägermitteln. Andere Konfigurationen sind möglich und gehören zum Umfang des vorliegenden Gegenstands.
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Die Energiequelle 120 kann eine beliebige bekannte Vorrichtung umfassen, die betriebsfähig ist, um einen Strahl mit geeigneten Leistungs- und anderen Betriebskennzeichen zu erzeugen, um das metallische Pulver während des Aufbauprozesses zu schmelzen und zu verschmelzen. Beispielsweise kann die Energiequelle 120 ein Laser sein. Andere gerichtete Energiequellen, wie etwa Elektronenstrahlkanonen, sind geeignete Alternativen zu einem Laser.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Strahlsteuerungsgerät 124 einen oder mehrere Spiegel, Prismen, Linsen und/oder Elektromagneten, die mit geeigneten Stellgliedern betriebsfähig gekoppelt sind und angeordnet sind, um den Energiestrahl 122 zu richten und zu bündeln. In dieser Hinsicht kann das Strahlsteuerungsgerät 124 beispielsweise ein Galvanometer-Scanner sein, der den Brennpunkt des Laserstrahls 122, der durch die Energiequelle 120 emittiert wird, während der Prozesse des Laserschmelzens und des Lasersinterns über die Aufbaufläche 130 bewegt oder gleiten lässt. In dieser Hinsicht kann der Energiestrahl 122 auf eine gewünschte Punktgröße gebündelt werden und in eine gewünschte Position in einer Ebene, die mit der Aufbaufläche 130 zusammenfällt, gesteuert werden. Der Galvanometer-Scanner bei Schmelztechniken mit Pulverbett ist typischerweise ein Festpositions-Scanner, doch die darin enthaltenen bewegbaren Spiegel/Linsen ermöglichen die Kontrolle und Justierung diverser Eigenschaften des Laserstrahls. Es versteht sich, dass andere Arten von Energiequellen 120 verwendet werden können, die ein alternatives Strahlsteuerungsgerät 124 verwenden können. Falls die Energiequelle 120 beispielsweise eine elektronische Steuereinheit ist, um einen Elektronenstrahl zu richten, kann das Strahlsteuerungsgerät 124 z.B. eine Ablenkspule sein.
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Vor einem additiven Fertigungsprozess kann das Zufuhrstellglied 160 abgesenkt werden, um eine Zufuhr von Pulver 142 in einer gewünschten Zusammensetzung (beispielsweise metallisches, keramisches und/oder organisches Pulver) in den Zufuhrbehälter 150 bereitzustellen. Zudem kann das Plattformstellglied 164 die Aufbauplattform 118 in eine anfängliche obere Position bewegen, beispielsweise derart, dass sie mit der Aufbaufläche 130 im Wesentlichen fluchtet oder koplanar ist. Die Aufbauplattform 118 wird dann mit einem ausgewählten Schichtinkrement unter die Aufbaufläche 130 abgesenkt. Das Schichtinkrement wirkt sich auf die Geschwindigkeit des additiven Fertigungsprozesses und die Auflösung der Einzelteile oder Teile 170, die gefertigt werden, aus. Beispielsweise kann das Schichtinkrement ungefähr 10 bis 100 Mikrometer (0,0004 bis 0,004 Zoll betragen).
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Das additive Pulver wird dann über der Aufbauplattform 118 abgeschieden, bevor es durch die Energiequelle 120 verschmolzen wird. Insbesondere kann das Zufuhrstellglied 154 die Zufuhrplattform 152 anheben, um Pulver durch die Zufuhröffnung 140 hindurch zu schieben, wodurch es dieses oberhalb der Aufbaufläche 130 freilegt. Der Wiederbeschichtungsmechanismus 114 kann dann über die Aufbaufläche 130 durch das Wiederbeschichtungsstellglied 160 bewegt werden, um das angehobene additive Pulver 142 waagerecht über die Aufbauplattform 118 (beispielsweise mit dem ausgewählten Schichtinkrement oder der ausgewählten Schichtdicke) zu verteilen. Eventuell überschüssiges additives Pulver 142 fällt durch die Reservoiröffnung 144 hindurch in das Überlaufreservoir 116, wenn der Nachbeschichtungsmechanismus 114 von links nach rechts geht (wie in 1 gezeigt). Anschließend kann der Nachbeschichtungsmechanismus 114 in eine Startposition zurückgebracht werden. Das geebnete additive Pulver 142 kann als „Aufbauschicht“ 172 bezeichnet werden (siehe 2), und die freiliegende Oberseite derselben kann als Aufbaufläche 130 bezeichnet werden. Wenn die Aufbauplattform 118 während eines Aufbauprozesses in die Aufbaukammer 134 abgesenkt wird, umgeben und tragen die Aufbaukammer 134 und die Aufbauplattform 118 gemeinsam eine Masse von additivem Pulver 142 zusammen mit eventuellen Einzelteilen, die gerade aufgebaut werden. Diese Pulvermasse wird im Allgemeinen als „Pulverbett“ bezeichnet, und diese spezifische Kategorie des additiven Fertigungsprozesses kann als „Pulverbettprozess“ bezeichnet werden.
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Während des additiven Fertigungsprozesses wird die gerichtete Energiequelle 120 verwendet, um einen zweidimensionalen Querschnitt bzw. eine Schicht des gerade gebauten Einzelteils 170 zu schmelzen. Genauer gesagt wird der Energiestrahl 122 von der Energiequelle 120 emittiert, und das Strahlsteuerungsgerät 26 wird verwendet, um den Brennpunkt 174 des Energiestrahls 122 in einem geeigneten Muster über die freigelegte Pulverfläche zu steuern. Ein kleiner Teil der freigelegten Schicht des additiven Pulvers 142, das den Brennpunkt 174 umgibt, der hier als „Schweißbad“ oder „Schmelzbad“ oder als „Wärmeeinflusszone“ 176 bezeichnet wird (am besten in 2 zu sehen), wird durch den Energiestrahl 122 auf eine Temperatur erhitzt, die es ihm ermöglicht, zu sintern oder zu schmelzen, zu fließen und sich zu verfestigen. Beispielsweise kann das Schmelzbad 176 ungefähr 100 Mikrometer (0,004 Zoll) breit sein. Dieser Schritt kann als das Verschmelzen des additiven Pulvers 142 bezeichnet werden.
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Die Aufbauplattform 118 wird um das Schichtinkrement senkrecht nach unten bewegt, und eine andere Schicht von additivem Pulver 142 wird mit einer ähnlichen Dicke aufgetragen. Die gerichtete Energiequelle 120 emittiert wieder den Energiestrahl 122, und das Strahlsteuerungsgerät 124 wird verwendet, um den Brennpunkt 174 des Energiestrahls 122 in einem geeigneten Muster über die freigelegte Pulverfläche zu steuern. Die freigelegte Schicht des additiven Pulvers 142 wird durch den Energiestrahl 122 auf eine Temperatur erhitzt, die es ihm ermöglicht, zu sintern oder zu schmelzen, zu fließen und sich zu verfestigen, sowohl innerhalb der oberen Schicht als auch mit der unteren, zuvor verfestigten Schicht. Dieser Zyklus des Bewegens der Aufbauplattform 118, des Auftragens von additivem Pulver 142 und dann des gerichteten Energiestrahls 122, um additives Pulver 142 zu schmelzen, wird wiederholt, bis das gesamte Einzelteil 170 fertiggestellt ist.
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Wie zuvor kurz erklärt, wenn die Energiequelle 120 und das Strahlsteuerungsgerät 124 den Energiestrahl 122, z.B. einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl, auf das Pulverbett oder die Aufbaufläche 130 richten, werden die additiven Pulver 142 erhitzt und beginnen, in das Schmelzbad 176 zu schmelzen, in dem sie verschmolzen werden können, um das endgültige Einzelteil 170 zu bilden. Insbesondere emittiert der erhitzte Werkstoff elektromagnetische Energie in Form von sichtbarem und unsichtbarem Licht. Ein Teil des gerichteten Energiestrahls wird in den Galvanometer-Scanner oder das Strahlsteuerungsgerät 124 zurück reflektiert, und ein Teil wird im Allgemeinen in alle anderen Richtungen im Innern der Einhausung 102 gestreut. Im Allgemeinen kann das Überwachen der emittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Energie verwendet werden, um die Überwachung und Kontrolle des Prozesses zu verbessern. Ein beispielhaftes System zum Überwachen des additiven Fertigungsprozesses, das zwei beispielhafte Arten von Überwachungssensoren umfasst, wird nachstehend gemäß den Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Weiter mit Bezug auf 1 wird ein Schmelzbadüberwachungssystem 200, das mit dem System 100 zum Überwachen des Schmelzbads 176 und dem Fertigungsprozess im Allgemeinen verwendet werden kann, gemäß einem Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gegenstands beschrieben. Das Schmelzbadüberwachungssystem umfasst einen oder mehrere elektromagnetische Energiesensoren, wie beispielsweise Lichtsensoren, zum Messen der Menge von sichtbarer oder unsichtbarer elektromagnetischer Energie, die von dem Schmelzbad 176 emittiert oder reflektiert wird. Genauer gesagt umfasst gemäß der abgebildeten Ausführungsform das Schmelzbadüberwachungssystem 200 zwei axiale Lichtsensoren 202 und einen feststehenden, außeraxialen Lichtsensor 204. Jeder dieser Sensoren 202, 204 wird nachstehend gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass das Schmelzbadüberwachungssystem 200 eine beliebige andere geeignete Art, eine Anzahl und Konfiguration von Sensoren zum Detektieren elektromagnetischer Energie und anderer Eigenschaften des Schmelzbads 176 oder des Prozesses im Allgemeinen umfassen kann.
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Wie die Begriffe hier verwendet werden, beziehen sich „Strahllinien-“ oder „axiale“ Schmelzbadsensoren 202 auf Sensoren, die im Allgemeinen auf dem Weg des Energiestrahls 122 positioniert sind. Diese Sensoren können emittiertes und/oder reflektiertes Licht, das auf dem Strahlengang zurückkehrt, überwachen. Insbesondere wenn der Energiestrahl 122 das Schmelzbad 176 bildet, kehrt ein Teil der emittierten und reflektierten elektromagnetischen Energie von dem Schmelzbad 176 auf dem gleichen Weg zurück zur Energiequelle 120. Ein axialer Sensor 202 kann einen Strahlenteiler 206 umfassen, der entlang der Strahllinie positioniert ist und eine Beschichtung umfassen kann, um einen Teil der elektromagnetischen Energie in Richtung auf ein Strahllinien-Sensorelement 208 umzuleiten. In dieser Hinsicht kann das Sensorelement 208 beispielsweise eine Photodiode, ein Pyrometer, eine optische Kamera, eine Infrarot-(IR) Kamera oder ein spektraler Sensor sein, der konfiguriert ist, um elektromagnetische Energie in einem oder mehreren beliebigen Frequenzspektren, wie etwa infrarotes (IR), ultraviolettes (UV), sichtbares Licht usw., zu messen. Der axiale Sensor 202 kann einen beliebigen geeigneten Parameter des gefilterten, reflektierten Strahls messen, wie etwa Stärke, Frequenz, Wellenlänge usw.
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Zudem beziehen sich die Begriffe „feststehende“ oder „außeraxiale“ Schmelzbadsensoren 204, wie sie hier verwendet werden, auf Sensoren, die im Allgemeinen eine feste Position mit Bezug auf das Schmelzbad 176 aufweisen und verwendet werden, um elektromagnetische Energie zu messen, die durch den Energiestrahl 122 und das Schmelzbad 176 in einem vorgegebenen Blickfeld erzeugt wird. Zudem können die feststehenden Schmelzbadsensoren 204 eine beliebige geeignete Vorrichtung, wie beispielsweise eine Photodiode oder eine Infrarot- (IR) Kamera, umfassen. Die außeraxialen Schmelzbadsensoren 204 können ähnlich wie die axialen Schmelzbadsensoren 202 funktionieren, befinden sich jedoch nicht auf der Strahllinie und umfassen ein Sensorelement 208, das im Allgemeinen konfiguriert ist, um gestreute elektromagnetische Energie von dem Schmelzbad 176 zu überwachen.
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Gemäß den Ausführungsbeispielen des vorliegenden Gegenstands kann das Schmelzbadüberwachungssystem 200 ferner ein oder mehrere Filter 210 zum Filtern von elektromagnetischer Energie umfassen, bevor sie die Sensorelemente 208 der jeweiligen Sensoren 202, 204 erreicht. Beispielsweise kann das Filter 210 die Wellenlänge des Energiestrahls 122 entfernen, so dass die Sensoren 202, 204 nur reflektierte elektromagnetische Energie überwachen. Alternativ kann das Filter 210 konfiguriert sein, um für eine verbesserte Überwachung des Schmelzbads 176 oder des Prozesses insgesamt andere unerwünschte Wellenlängen zu entfernen.
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Das Schmelzbadüberwachungssystem umfasst ferner einen Controller 220, der mit dem axialen Lichtsensor 202 und/oder dem außeraxialen Lichtsensor 204 betriebsfähig gekoppelt ist, um Signale zu empfangen, die der detektierten elektromagnetischen Energie entsprechen. Der Controller 220 kann ein dedizierter Controller für das Schmelzbadüberwachungssystem 200 sein oder kann ein System-Controller zum Betätigen des AF-Systems 100 sein. Der Controller 220 kann eine oder mehrere Speichervorrichtungen und einen oder mehrere Mikroprozessoren umfassen, wie etwa universelle oder spezielle Mikroprozessoren, die betriebsfähig sind, um Programmieranweisungen oder Mikrosteuercode auszuführen, die mit einem additiven Fertigungsprozess oder einer Prozessüberwachung verknüpft sind. Der Speicher kann einen Arbeitsspeicher, wie etwa einen DRAM, oder einen Festspeicher, wie etwa einen ROM oder FLASH, darstellen. Bei einer Ausführungsform führt der Prozessor Programmieranweisungen aus, die in dem Speicher gespeichert sind. Der Speicher kann ein von dem Prozessor getrenntes Einzelteil sein oder kann innerhalb des Prozessors eingebaut enthalten sein. Alternativ kann der Controller 220 konstruiert sein, ohne einen Mikroprozessor zu verwenden, beispielsweise unter Verwendung einer Kombination von diskreten analogen und/oder digitalen logischen Schaltungen (wie etwa Schaltern, Verstärkern, Integratoren, Komparatoren, Flip-Flops, UND-Gattern und dergleichen), um eine Steuerfunktion auszuführen, statt auf Software zurückzugreifen.
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Wie zuvor kurz erklärt, sind herkömmliche Schmelzbadüberwachungssysteme nicht kalibriert. Wenn des Weiteren mehrere additive Fertigungsmaschinen zum Fertigen einer Reihe von identischen Teilen eingerichtet sind, können die Schmelzbadüberwachungssysteme an jeder dieser Maschinen ein leicht unterschiedliches Ansprechverhalten aufweisen. Daher betreffen die Aspekte des vorliegenden Gegenstands Systeme und Verfahren zum Kalibrieren von Schmelzbadüberwachungssystemen für additive Fertigungsmaschinen.
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Nun wird insbesondere mit Bezug auf 3 und 4 ein Kalibrierungssystem 230, das verwendet werden kann, um ein Schmelzbadüberwachungssystem 200 des additiven Fertigungssystems 100 zu kalibrieren, gemäß einem Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gegenstands beschrieben. Obwohl hier Ausführungsbeispiele des Kalibrierungssystems 230 bereitgestellt werden und insbesondere beschrieben werden, wie sie zum Kalibrieren des Schmelzbadüberwachungssystems 200 verwendet werden, versteht es sich, dass gemäß alternativen Ausführungsformen das Kalibrierungssystem 230 Änderungen und Variationen umfassen kann, z.B. um eine besser angepasste Kalibrierung für eine spezifische Maschineneinrichtung bereitzustellen. Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht dazu gedacht, den Umfang des vorliegenden Gegenstands einzuschränken.
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Wie abgebildet, umfasst das Kalibrierungssystem 230 eine Kalibrierungsplattform 232, die an der Aufbauplattform 118 des additiven Fertigungssystems 100 abnehmbar montierbar ist. In dieser Hinsicht kann die Kalibrierungsplattform 232 eine starre, planare Montagestruktur sein, die in einer beliebigen geeigneten additiven Fertigungsmaschine montiert werden kann, so dass sich die Position der Kalibrierungsplattform 232 mit Bezug auf das Schmelzbadüberwachungssystem 200 in einer bestimmten Position befindet. Beispielsweise kann die Kalibrierungsplattform 232 die gleichen Abmessungen wie die Aufbauplattform 118 aufweisen (z.B. in einer waagerechten Ebene, die durch die Aufbaufläche 130 definiert ist). Auf diese Art und Weise können dadurch, dass die Kalibrierungsplattform 232 durch die Aufbauöffnung 132 hindurch positioniert wird, die senkrechten Wände 136 sicherstellen, dass die Kalibrierungsplattform 232 wiederholt in einer festen, bekannten Stelle und Orientierung positioniert wird.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel definiert die Kalibrierungsplattform 232 ein oder mehrere Ausrichtungsmerkmale 234, die konfiguriert sind, um in passende Merkmale 236 einzugreifen, die auf der Aufbauplattform 118 oder an einer Aufbauplattformstelle der AF-Maschine 100 definiert sind. Genauer gesagt können die Ausrichtungsmerkmale 234 beispielsweise Schrauben sein, die sich von der Kalibrierungsplattform 232 in Richtung auf die Aufbauplattform 118 erstrecken, und die passenden Merkmale 236 können Löcher sein, die in der Aufbauplattform 118 definiert sind, um die Schrauben aufzunehmen. Insbesondere kann jede additive Fertigungsmaschine eine identische Aufbauplattform 118 umfassen, die identische passende Merkmale 236 zur Aufnahme der Ausrichtungsmerkmale 234 aufweist. Auf diese Art und Weise kann die Aufbauplattform 118 von Maschine zu Maschine bewegt werden, indem sie eine feste relative Position aufweist, die dem Controller 220 bekannt ist, um einen präzisen und verbesserten Kalibrierprozess zu erreichen.
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Zudem umfasst das Kalibrierungssystem 230 eine oder mehrere kalibrierte Lichtquellen 240, die an der Kalibrierungsplattform 232 in einer festen, bekannten Position montiert sind. Die kalibrierten Lichtquellen 240 sind im Allgemeinen konfiguriert, um ein Messnormal (wie etwa ein Lichtkalibrierungsnormal) zu definieren, wenn sie eingeschaltet sind. In dieser Hinsicht können die kalibrierten Lichtquellen 240 beispielsweise elektromagnetische Energie erzeugen, die eine bekannte Emissionsstärke, einen Wellenlängenbereich, eine Emissionsfläche oder eine beliebige andere geeignete messbare Größe oder Eigenschaft der elektromagnetischen Energie aufweist. Es versteht sich, dass der Begriff „Messnormal“, wie er hier verwendet wird, austauschbar verwendet werden kann, um sich auf die tatsächliche elektromagnetische Energie, die durch die kalibrierten Lichtquellen 240 erzeugt wird, oder auf das Signal, das durch das Schmelzbadüberwachungssystem 200 erzeugt wird, wenn diese elektromagnetische Energie gemessen wird, zu beziehen.
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Erfindungsgemäß sind die kalibrierten Lichtquellen 240 aus einer Gruppe ausgewählt, die aus einer Leuchtdiode (LED), einer Halogenlampe, einer Glühlampe, einem Leuchtstab, einer fasergekoppelte Lichtquelle, einem Schwarzkörper-Emitter besteht. Die Begriffe „Lichtquelle“ und „elektromagnetische Energiequelle“ können hier austauschbar verwendet werden.
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Gemäß der abgebildeten Ausführungsform umfasst das Kalibrierungssystem 230 eine einzige kalibrierte Lichtquelle 240, die in der Mitte der Kalibrierungsplattform 232 montiert ist. In dieser Hinsicht kann das Kalibrierungssystem 230 eine Montagestruktur 242 umfassen, die eine oder mehrere Streben, Leisten oder andere Träger umfassen kann, um die kalibrierte Lichtquelle 240 in ihrer festen Position zu halten. Obwohl in den Ausführungsbeispielen eine einzige kalibrierte Lichtquelle 240 abgebildet ist, versteht es sich, dass gemäß alternativen Ausführungsformen eine beliebige geeignete Anzahl, Art und Positionierung der kalibrierten Lichtquellen 240 verwendet werden kann, um eine Kalibrierung von mehreren Sensoren zu ermöglichen, die jeweils mit mehreren Lasersystemen verbunden sind, und/oder um eine normale räumliche Variation des Sensoransprechverhaltens auf Grund der Bauform des optischen Systems zu berücksichtigen. Beispielsweise umfasst das Kalibrierungssystem 230 gemäß einer anderen Ausführungsform vier kalibrierte Lichtquellen 240, die auf der Kalibrierungsplattform 232 im gleichen Abstand voneinander beabstandet sind (z.B. in der Nähe jeder der vier Ecken der Kalibrierungsplattform 232).
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Zudem können die kalibrierten Lichtquellen 240 unter Verwendung einer beliebigen anderen geeigneten Vorrichtung oder eines Mechanismus, der hier als Beleuchtungsmontagemechanismus bezeichnet werden kann, an einer festen Stelle innerhalb des AF-Systems 100 positioniert sein. Beispielsweise können gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel eine oder mehrere kalibrierte Lichtquellen 240 an einem einziehbaren Arm (nicht gezeigt) montiert sein, der auf einer Seite der Aufbaukammer 134 montiert ist. Auf diese Art und Weise könnte sich vor einem Fertigungsprozess der einziehbare Arm ausstrecken, um die Lichtquelle 240 in der gewünschten Position zu positionieren, der Kalibrierprozess könnte ausgeführt werden, und der Arm könnte eingezogen werden, bevor mit dem Aufbau begonnen wird. Andere geeignete Montagestrukturen und Lösungen sind möglich und gehören zum Umfang des vorliegenden Gegenstands.
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Nun kann insbesondere mit Bezug auf 4 das Kalibrierungssystem 230 ferner eine Lichtabschirmung 244 umfassen, die über der einen oder den mehreren der kalibrierten Lichtquellen 240 positioniert ist. Die Lichtabschirmung 244 kann im Allgemeinen ein beliebiges Gerät zum Filtern, Richten oder anderweitigen Manipulieren des Lichts, das durch die kalibrierten Lichtquellen 240 erzeugt wird, sein. Somit kann die Lichtabschirmung 244 in Verbindung mit den kalibrierten Lichtquellen 240 verwendet werden, um das Messnormal zu definieren, das verwendet wird, um das Schmelzbadüberwachungssystem 200 zu kalibrieren. Beispielsweise befindet sich die Lichtabschirmung 244 gemäß der abgebildeten Ausführungsform in einer festen Platte, die über der kalibrierten Lichtquelle 240 positioniert ist, und definiert eine oder mehrere Öffnungen 246, die eine feste Emissionsfläche definieren. Zudem können die kalibrierten Lichtquellen 240 ausgewählt werden, um eine feste Emissionsfläche durch einen beliebigen anderen geeigneten Mechanismus zu definieren. Beispielsweise können gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel die Lichtquellen 240 eine fasergekoppelte Lichtquelle, eine LED oder ein Laser mit einer festen Emissionsfläche sein.
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Insbesondere kann das Kalibrierungssystem 230 gemäß einem Ausführungsbeispiel zwischen mehreren additiven Fertigungsmaschinen bewegbar sein, um gleichbleibende Kalibrierwerte für alle Maschinen bereitzustellen. Wie der Begriff hier verwendet wird, kann eine „Kalibrierung“ im Allgemeinen verwendet werden, um sich auf den Prozess des Vergleichens eines Messwertes von einem Sensor mit einem bekannten Wert oder Kalibrierungssignalnormal beziehen. In dieser Hinsicht kann das Kalibrierungssystem 230 beispielsweise ein bekanntes „Messnormal“ erzeugen, das durch einen oder mehrere Lichtsensoren, wie etwa die Sensoren 202, 204 des Schmelzbadüberwachungssystems 200, gemessen werden kann. Die Sensorparameter können justiert werden, bis die Ausgabe des Sensors das gemessene Licht angibt, das im Wesentlichen dem Messnormal entspricht. Alternativ kann der Controller 220 konfiguriert sein, um die Unterschiede zwischen dem gemessenen Licht und dem Messnormal zu kompensieren. Somit kann eine Beziehung zwischen einem bekannten Wert (dem Messnormal) und einem unbekannten Wert (dem gemessenen Licht) verwendet werden, um die Sensorausgabe zu justieren und die Messunsicherheit zu reduzieren.
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Durch das Justieren aller Schmelzbadüberwachungssysteme 200 in einer Gruppe von additiven Fertigungsmaschinen basierend auf ihrer Reaktion auf das Licht, das durch das Kalibrierungssystem 230 erzeugt wird (d.h. das Messnormal), können die nachfolgenden Messungen, die während der additiven Fertigung von Teilen erzielt werden, zuverlässige Indikatoren der Kennzeichen des Prozesses und des Schmelzbads sein. Der Controller 220 kann konfiguriert sein, um diese Informationen zu empfangen, zu manipulieren und zu verwenden, um notwendige Prozesskorrekturen vorzunehmen, um eine höhere Präzision durch eine einzige Maschine und eine größere Einheitlichkeit in einer Gruppe von Maschinen, die ähnlich kalibriert wurden, zu erreichen.
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Es versteht sich, dass das AF-System 100, das Schmelzbadüberwachungssystem 200 und das Kalibrierungssystem 230 hier nur zum Erklären der Aspekte des vorliegenden Gegenstands abgebildet sind und beschrieben werden. Der Umfang des vorliegenden Gegenstands ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele eingeschränkt, sondern soll vielmehr Ausführungsformen umfassen, die Variationen und Änderungen umfassen. Obwohl die Stellglieder hier beispielsweise als hydraulische Stellglieder abgebildet sind, können gemäß alternativen Ausführungsformen andere geeignete Arten und Konfigurationen von Stellgliedern verwendet werden. Zudem können andere geeignete Formen und/oder Arten von Pulverzufuhr 112 verwendet werden, wie etwa ein Pulverbehälter, der sich entlang der Aufbaufläche 130 bewegt, während er additives Pulver mit einem vorbestimmten Durchfluss abscheidet. Außerdem kann eine beliebige geeignete Konfiguration eines Strahlsteuerungsgeräts 124 verwendet werden, beispielsweise basierend auf der Art des erzeugten Energiestrahls 122. Andere Konfigurationen sind möglich und gehören zum Umfang des vorliegenden Gegenstands.
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Nachdem nun die Konstruktion und Konfiguration des AF-Systems 100, des Schmelzbadüberwachungssystems 200 und des Kalibrierungssystems 230 gemäß den Ausführungsbeispielen des vorliegenden Gegenstands beschrieben wurden, wird ein beispielhaftes Verfahren 300 zum Kalibrieren eines Prozessüberwachungssystems eines additiven Fertigungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gegenstands beschrieben. Das Verfahren 300 kann verwendet werden, um das Schmelzbadüberwachungssystem 200 des AF-Systems 100 oder einer beliebigen anderen geeigneten additiven Fertigungsmaschine zu kalibrieren. In dieser Hinsicht kann der Controller 220 beispielsweise konfiguriert sein, um einige oder alle Schritte des Verfahrens 300 umzusetzen. Ferner versteht es sich, dass das hier besprochene beispielhafte Verfahren 300 nur beispielhafte Aspekte des vorliegenden Gegenstands beschreiben soll und nicht einschränkend sein soll.
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Nun umfasst mit Bezug auf 5 das Verfahren 300 in Schritt 310 das Beleuchten einer oder mehrerer kalibrierter Lichtquellen aus einer oder mehreren festen Positionen auf einer Aufbauplattform einer additiven Fertigungsmaschine. Beispielsweise kann die Kalibrierungsplattform 232 des Kalibrierungssystems 230 das obige Beispiel die fortführend an der Aufbauplattform 118 montiert sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Ausrichtungsmerkmale 234 (z.B. Schrauben), die durch die Kalibrierungsplattform 232 definiert werden, auf passende Merkmale 236 (z.B. Löcher) ausgerichtet werden, die in der Aufbauplattform 118 definiert sind, um eine richtige Positionierung und Orientierung der Kalibrierungsplattform 232 mit Bezug auf die Aufbauplattform 118 und das Schmelzbadüberwachungssystem 200 sicherzustellen.
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Schritt 320 umfasst das Messen von Licht, das von der einen oder den mehreren kalibrierten Lichtquellen emittiert wird, unter Verwendung eines Schmelzbadüberwachungssystems. In dieser Hinsicht können die eine oder die mehreren kalibrierten Lichtquellen 240, die an der Kalibrierungsplattform 232 montiert sind, beleuchtet werden, und die erzeugte elektromagnetische Energie kann beispielsweise durch die axialen Sensoren 202 und/oder die außeraxialen Sensoren 204 des Schmelzbadüberwachungssystems 200 gemessen werden. Zudem versteht es sich, dass gemäß den Ausführungsbeispielen weniger als alle von der einen oder den mehreren kalibrierten Lichtquellen eingeschaltet werden können und nacheinander eingeschaltet werden können, um das Messnormal zu erzeugen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Licht durch Justieren des Strahlsteuerungsgeräts 124 der additiven Fertigungsmaschine in einer oder mehreren Positionen, die mit jeder der einen oder mehreren kalibrierten Lichtquellen 240 verbunden sind, gemessen werden. In dieser Hinsicht kann das Strahlsteuerungsgerät 124 orientiert sein, als wenn es den Energiestrahl 122 in Richtung auf jede der kalibrierten Lichtquellen 240 richten würde, und die Daten können von dem Schmelzbadüberwachungssystem 200 erhoben werden, wenn sich das Strahlsteuerungsgerät 124 nicht in jeder der einen oder der mehreren Positionen befindet. Gemäß einer Ausführungsform können ein oder mehrere Filter auf einem Lichtweg positioniert sein, der durch die eine oder die mehreren kalibrierten Lichtquellen 240 erzeugt wird.
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Schritt 330 umfasst das Erzielen eines Messnormals, das durch die eine oder die mehreren kalibrierten Lichtquellen erzeugt wird. Wie zuvor beschrieben, wird das Messnormal durch die kalibrierten Lichtquellen 240 und ihre jeweiligen Positionen, Emissionskenndaten usw. definiert. Zudem kann gemäß den Ausführungsbeispielen eine Lichtabschirmung über mindestens einem Teil der Kalibrierungsplattform montiert sein, wobei die Lichtabschirmung eine oder mehrere Öffnungen definiert. Die Öffnungen oder andere geeignete Mechanismen, welche die Emissionsfläche definieren sollen, können das Messnormal weiter definieren.
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Schritt 340 umfasst das Vergleichen des gemessenen Lichts mit dem Messnormal. Beispielsweise kann dieser Vergleich das Vergleichen von Werten für eines oder mehrere von Lichtintensität, Photodioden-Spannungsverhalten, Pyrometerspannungen oder Stromverhalten, geometrische Abmessungen von Lichtemissionen, Spektralempfindlichkeit und Sensorrauschverhalten umfassen. Als Reaktion auf den Vergleich umfasst der Schritt 350 das Justieren des Schmelzbadüberwachungssystems, so dass ein Signal, das mit dem gemessenen Licht verbunden ist, im Wesentlichen mit dem Messnormal identisch ist. In dieser Hinsicht kann dieser Schritt beispielsweise das Justieren von einem oder mehreren von einer physikalischen Verstärkung, einem optischen Fokus, einer Filterposition, einer elektronischen Verstärkung oder dem Austauschen eines Sensors umfassen.
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5 bildet ein beispielhaftes Steuerverfahren ab, das Schritte aufweist, die zum Zweck der Erläuterung und Diskussion in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden. Der Fachmann wird unter Verwendung der bereitgestellten Offenbarungen verstehen, dass die Schritte aller hier besprochenen Verfahren angepasst, umgestellt, erweitert, ausgelassen oder unterschiedlich geändert werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Obwohl die Aspekte der Verfahren unter Verwendung des AF-Systems 100, des Schmelzbadüberwachungssystems 200 und des Kalibrierungssystems 230 als Beispiel erklärt wurden, versteht es sich des Weiteren, dass diese Verfahren auf die Kalibrierung und die Betätigung einer beliebigen geeigneten additiven Fertigungsmaschine angewendet werden können.
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Die vorliegende verfasste Beschreibung verwendet Ausführungsbeispiele, um die Erfindung zu offenbaren, wozu die beste Ausführungsform gehört, und auch um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu das Herstellen und Verwenden beliebiger Vorrichtungen oder Systeme und das Ausführen beliebiger übernommener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Diese anderen Beispiele sind dazu gedacht, zum Umfang der Ansprüche zu gehören, wenn sie strukturelle Elemente umfassen, die sich nicht vom wörtlichen Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Wortlaut der Ansprüche umfassen.
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In den folgenden Abschnitten werden diverse Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung definiert:
- 1. Ein Verfahren zum Kalibrieren eines Schmelzbadüberwachungssystems einer additiven Fertigungsmaschine, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Leuchten einer oder mehrerer elektromagnetischer Energiequellen von einer oder mehreren festen Positionen in der additiven Fertigungsmaschine aus;
- Messen der elektromagnetischen Energie, die von der einen oder den mehreren elektromagnetischen Energiequellen emittiert wird, unter Verwendung des Schmelzbadüberwachungssystems;
- Vergleichen der gemessenen elektromagnetischen Energie mit einem Messnormal; und
- Justieren des Schmelzbadüberwachungssystems, so dass ein Signal, das mit der gemessenen elektromagnetischen Energie zusammenhängt, mit dem Messnormal im Wesentlichen identisch ist.
- 2. Das Verfahren nach Abschnitt 1, ferner umfassend:
- Positionieren einer Lichtabschirmung über der einen oder den mehreren elektromagnetischen Energiequellen, wobei die Lichtabschirmung eine oder mehrere Öffnungen definiert, die eine Emissionsfläche definieren.
- 3. Das Verfahren nach Abschnitt 1, wobei die eine oder die mehreren elektromagnetischen Energiequellen eine feste Emissionsfläche definieren.
- 4. Das Verfahren nach Abschnitt 1, ferner umfassend:
- Positionieren der einen oder der mehreren elektromagnetischen Energiequellen in oder an einer Kalibrierungsplattform; und
- Montieren der Kalibrierungsplattform in oder an einer Aufbauplattformstelle der additiven Fertigungsmaschine.
- 5. Das Verfahren nach Abschnitt 4, wobei das Montieren der Kalibrierungsplattform in oder an der Aufbauplattformstelle umfasst:
- Ausrichten eines oder mehrerer Ausrichtungsmerkmale, die an der Kalibrierungsplattform definiert sind, auf passende Merkmale, die an der Aufbauplattformstelle der additiven Fertigungsmaschine definiert sind.
- 6. Das Verfahren nach Abschnitt 1, ferner umfassend:
- Erzielen des Messnormals, das durch die eine oder die mehreren elektromagnetischen Energiequellen erzeugt wird.
- 7. Das Verfahren nach Abschnitt 1, ferner umfassend:
- Beleuchten von weniger als allen von der einen oder den mehreren elektromagnetischen Energiequellen.
- 8. Das Verfahren nach Abschnitt 1, wobei das Vergleichen der gemessenen elektromagnetischen Energie mit dem Messnormal das Vergleichen von Werten für eines oder mehrere von Lichtstärke, Photodioden-Spannungsverhalten, Pyrometerspannungen oder Stromverhalten, geometrischen Abmessungen der Lichtemission, Spektralreaktion und Sensorrauschverhalten umfasst.
- 9. Das Verfahren nach Abschnitt 1, ferner umfassend:
- Justieren eines Strahlsteuerungsgeräts der additiven Fertigungsmaschine auf eine oder mehrere Positionen, die mit jeder von der einen oder den mehreren elektromagnetischen Energiequellen verbunden sind; und
- Erheben von Daten von einem axialen Lichtsensor in dem Schmelzbadüberwachungssystem, wenn sich das Strahlsteuerungsgerät in jeder von der einen oder den mehreren Positionen befindet.
- 10. Das Verfahren nach Abschnitt 1, wobei das Justieren des Schmelzbadüberwachungssystems, so dass die gemessene elektromagnetische Energie mit dem Messnormal im Wesentlichen identisch ist, das Justieren von einem oder mehreren von einer physikalischen Verstärkung, einem optischen Fokus, einer Filterposition, einer elektronischen Verstärkung oder dem Austauschen eines Sensors umfasst.
- 11. Ein Kalibrierungssystem für ein Schmelzbadüberwachungssystem einer additiven Fertigungsmaschine, wobei das Kalibrierungssystem umfasst:
- einen Beleuchtungsmontagemechanismus, der an gewünschten Stellen innerhalb der additiven Fertigungsmaschine positionierbar ist; und
- eine oder mehrere elektromagnetische Energiequellen, die an dem Beleuchtungsmontagemechanismus montiert sind, wobei die eine oder die mehreren elektromagnetischen Energiequellen ein Messnormal definieren, wenn sie eingeschaltet sind.
- 12. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 11, wobei der Beleuchtungsmontagemechanismus eine Kalibrierungsplattform umfasst, die auf einer Aufbauplattform der additiven Fertigungsmaschine abnehmbar montierbar ist.
- 13. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 12, wobei die Kalibrierungsplattform ein oder mehrere Ausrichtungsmerkmale definiert, die konfiguriert sind, um in passende Merkmale einzugreifen, die an der Aufbauplattform definiert sind.
- 14. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 11, wobei die eine oder die mehreren elektromagnetischen Energiequellen aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus einer Leuchtdiode (LED), einem Laser, einer Halogenlampe, einer Glühlampe, einem Leuchtstab, einer fasergekoppelten Lichtquelle und einem Schwarzkörper-Emitter besteht.
- 15. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 11, wobei die eine oder die mehreren elektromagnetischen Energiequellen eine bekannte Emissionsstärke, eine spektrale Signatur oder eine Emissionsfläche aufweist.
- 16. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 11, wobei das Schmelzbadüberwachungssystem umfasst:
- einen axialen Lichtsensor, der auf einem Lichtweg der elektromagnetischen Energie positioniert ist, die durch die elektromagnetischen Energiequellen erzeugt wird, wenn sie eingeschaltet sind.
- 17. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 16, wobei der axiale Lichtsensor mindestens eines von einer Photodiode, einem Pyrometer, einer Kamera und einem Spektralsensor umfasst.
- 18. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 11, wobei das Schmelzbadüberwachungssystem umfasst:
- einen außeraxialen Lichtsensor, der an einer festen Stelle im Innern der additiven Fertigungsmaschine positioniert ist.
- 19. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 11, umfassend:
- eine Lichtabschirmung, die über der einen oder den mehreren elektromagnetischen Energiequellen positioniert ist, wobei die Lichtabschirmung eine oder mehrere Öffnungen definiert, die eine Emissionsfläche definieren.
- 20. Das Kalibrierungssystem nach Abschnitt 11, umfassend:
- ein oder mehrere Filter, die auf einem Lichtweg positioniert sind, der durch die eine oder die mehreren elektromagnetischen Energiequellen erzeugt wird.
