DE102019112757A1

DE102019112757A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102019112757A1
Application number: DE102019112757.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Widulle; Christian Platt; Thomas Milde; Bernhard Wiedemann
Original assignee: Carl Zeiss AG; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss AG; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-11-19
Also published as: US20220072620A1; CN113874141A; WO2020229391A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14) verwenden einen Datensatz (34), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten (16) definiert. Ein Strukturierungswerkzeug (24) bewegt einen ersten Energiestrahl (26) ortsaufgelöst relativ zu einer Fertigungsplattform (12). Eine Messanordnung (36) bestimmt individuelle Eigenschaften des Schichtenstapels (20). Die Messanordnung (36) beinhaltet einen Erreger (38), der den Stapel (20) mit einem zweiten Energiestrahl (42) anregt, und einen Detektor (40), der Eigenschaften des Stapels (20) infolge der Anregung ortsaufgelöst detektiert. Die Steuerung (30) steuert den zweiten Energiestrahl (42) und/oder den Detektionspfad (44) für die Messung entlang einer Vielzahl von Messtrajektorien (46), die sich von den Trajektorien (28) des ersten Energiestrahls (26) unterscheiden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks, mit den Schritten:

- Empfangen eines Datensatzes, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten definiert,
- Bereitstellen einer Fertigungsplattform,
- Bereitstellen eines Strukturierungswerkzeugs mit einer ersten Abtasteinheit, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Energiestrahl ortsaufgelöst relativ zu der Fertigungsplattform zu bewegen,
- Bestimmen einer Vielzahl von ersten Trajektorien in Abhängigkeit von dem Datensatz,
- Bewegen des ersten Energiestrahls relativ zu der Fertigungsplattform in zeitlich aufeinander folgenden Schritten entlang jeweils einer ersten Trajektorie aus der Vielzahl von ersten Trajektorien, um in den zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten einen Stapel mit aufeinander angeordneten Werkstückschichten zu erzeugen, die den ersten Trajektorien entsprechen,
- Bestimmen von individuellen Eigenschaften des Stapels mit einer Messanordnung mit einem Erreger, der den Stapel mit einem zweiten Energiestrahl anregt, und mit einem Detektor, der Eigenschaften des Stapels infolge der Anregung entlang eines definierten Detektionspfades ortsaufgelöst detektiert.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks, mit einer Schnittstelle zum Empfangen eines Datensatzes, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten definiert, mit einer Fertigungsplattform, mit einem Strukturierungswerkzeug mit einer ersten Abtasteinheit, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Energiestrahl ortsaufgelöst relativ zu der Fertigungsplattform zu bewegen, mit einer Steuerung, die die erste Abtasteinheit in Abhängigkeit von dem Datensatz ansteuert, um den ersten Energiestrahl in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten entlang einer Vielzahl von ersten Trajektorien relativ zu der Fertigungsplattform zu bewegen, wobei das Strukturierungswerkzeug in den zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten einen Stapel mit aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt, die den ersten Trajektorien entsprechen, und mit einer Messanordnung, die dazu eingerichtet ist, individuelle Eigenschaften des Stapels zu bestimmen, wobei die Messanordnung einen Erreger aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Stapel mit einem zweiten Energiestrahl anzuregen, und wobei die Messanordnung einen Detektor aufweist, der dazu eingerichtet ist, Eigenschaften des Stapels infolge der Anregung entlang eines Detektionspfades ortsaufgelöst zu detektieren.
EP 1 815 936 B1 offenbart ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung.
Additive Verfahren zur Herstellung von Werkstücken werden zum Teil als 3D-Druck bezeichnet. Es gibt verschiedene additive Herstellungsverfahren. Beim sogenannten selektiven Lasersintern (SLS) wird beispielsweise ein sogenanntes Pulverbett mit einer Vielzahl metallischer Pulverpartikel verwendet. Ausgewählte Pulverpartikel an der Oberseite des Pulverbetts werden mithilfe eines Laserstrahls ortsaufgelöst, d.h. lokal selektiv, geschmolzen und auf diese Weise miteinander verbunden. Anschließend wird eine neue Pulverschicht auf der Werkstückstruktur ausgebracht und das Werkstück wird so schichtweise hergestellt. Andere additive Herstellungsverfahren verwenden einen Elektronenstrahl anstelle eines Laserstrahls. Wiederum weitere Verfahren bringen ein pulverförmiges oder drahtförmiges Material selektiv auf einer Fertigungsplattform aus und schmelzen dieses selektiv mit einem Elektronen- oder Laserstrahl. Der Elektronenstrahl oder Laserstrahl sind Beispiele für einen ersten Energiestrahl, mit dem ein Strukturierungswerkzeug schichtweise eine Materialstruktur erzeugen kann, die nach Fertigstellung aller Schichten das Werkstück bildet. Häufig werden die einzelnen Werkstückschichten von unten nach oben auf der Fertigungsplattform erzeugt, wobei die Fertigungsplattform selbst nach jeder Werkstückschicht um die entsprechende Schichthöhe abgesenkt wird.
Die additive Herstellung von Werkstücken macht es möglich, individuelle Werkstücke mit hohem Komplexitätsgrad und geringem Materialaufwand herzustellen. Zugleich stellen sich große Herausforderungen in Bezug auf die Werkstückqualität, da in jeder Schicht Inhomogenitäten oder Anomalien des Materials entstehen können, die sich auf die Qualität des Werkstücks negativ auswirken können. Solche Inhomogenitäten/Anomalien können Poren, Risse, unaufgeschmolzenes Material u.a. beinhalten. Aus diesem Grund gibt es zahlreiche Vorschläge, um Inhomogenitäten/Anomalien in einem additiv hergestellten Werkstück bereits während der Herstellung der Schichten zu detektieren.
Die Publikationen „Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing" von Sarah K. Everton et al. in Materials and Design 95 (2016), Seiten 431 bis 445 gibt einen Überblick. Gemäß einem Vorschlag wird das sogenannte Schmelzbad, das ist der mit dem Energiestrahl aufgeschmolzene Materialbereich, mit einer Kamera aufgenommen und es wird die über das Schmelzbad gemittelte Temperatur bestimmt. Die erhaltenen Daten können zur Überwachung des Herstellungsprozesses genutzt werden, aber sie liefern keine direkten Informationen zu qualitätsrelevanten Inhomogenitäten/Anomalien, die zum Teil erst nach Erstarren des Schmelzbads entstehen.
In einigen Vorschlägen wird der Beobachtungsstrahlengang der Kamera mithilfe von Strahlteilern in den Strahlengang des Strukturierungswerkzeugs integriert. Abweichend hiervon schlägt US 2015/0375456 A1 eine separate Abtasteinheit vor, um das Schmelzbad zu überwachen.
Die eingangs genannte EP 1 815 936 B1 beschreibt ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks, wobei mithilfe eines zweiten Laserstrahls ein Ultraschallwellenmuster in einer oberen Werkstückschicht angeregt wird. Die Ultraschallwellen interagieren mit Inhomogenitäten/Anomalien und erzeugen Interferenzmuster, die anhand von Echoantworten der Oberfläche bestimmt werden können. Des Weiteren schlägt EP 1 815 936 B1 eine elektrische Wirbelstromanalyse der jeweils oberen Materialschicht sowie eine dimensionale Messung mithilfe von Speckle-Interferometrie, einem Laserscanner oder einem stereooptischen System vor. Der Laser zur Erzeugung des Ultraschallwellenmusters soll dem Laser des Strukturierungswerkzeugs in einem festen Abstand von wenigen Zentimetern folgen. Ein ähnlicher Vorschlag ist in US 7,278,315 B1 offenbart.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine verbesserte, fertigungsnahe Überwachung des Herstellungsprozesses ermöglichen, um Inhomogenitäten/Anomalien möglichst frühzeitig zu detektieren und ggf. noch im Herstellungsprozess korrigieren zu können.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei der zweite Energiestrahl und/oder der Detektionspfad mithilfe einer weiteren Abtasteinheit entlang einer Vielzahl von weiteren Trajektorien relativ zu der Fertigungsplattform bewegt werden, wobei sich die weiteren Trajektorien zumindest teilweise von den ersten Trajektorien unterscheiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Messanordnung eine weitere Abtasteinheit aufweist, und wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die weitere Abtasteinheit losgelöst von der ersten Abtasteinheit so zu steuern, dass sich der zweite Energiestrahl und/oder der Detektionspfad entlang einer Vielzahl von weiteren Trajektorien relativ zu der Fertigungsplattform bewegen, wobei sich die weiteren Trajektorien von den ersten Trajektorien unterscheiden können.
Die neue Vorrichtung besitzt somit die Fähigkeit, den ersten Energiestrahl (Schreibstrahl) und einen zweiten Energiestrahl und/oder Detektionspfad (Messstrahl oder Messstrahlen) weitgehend unabhängig voneinander relativ zu der Fertigungsplattform sowie einer auf der Fertigungsplattform angeordneten Werkstückoberfläche zu bewegen. Weitgehend unabhängig bedeutet hier, dass die erste Abtasteinheit und die weitere Abtasteinheit verschieden voneinander sind und so angesteuert werden können, so dass sich die weitere Trajektorie, entlang der sich zweite Energiestrahl und/oder Detektionspfad bewegt, von der ersten Trajektorie unterscheidet. Im Gegensatz zu dem oben genannten Stand der Technik bewegen sich der erste Energiestrahl und der Messstrahl also nicht mehr zwingend gemeinsam und entlang einer gemeinsamen Trajektorie. Zwar können der erste Energiestrahl und der Messstrahl durch geeignete Steuerung der ersten und weiteren Abtasteinheit prinzipiell entlang einer gemeinsamen Trajektorie bewegt werden. Die neue Vorrichtung ist darauf jedoch nicht beschränkt und das neue Verfahren macht vorteilhaften Gebrauch davon, dass sich die weiteren Trajektorien zumindest teilweise von den ersten Trajektorien unterscheiden können.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen und Ausgestaltungen, auf die weiter unten näher eingegangen wird, wird eine „Kollision“ des zweiten Energiestrahls und/oder Detektionspfades mit dem ersten Energiestrahl durch geeignete Steuerung der ersten und weiteren Abtasteinheit vermieden. Dementsprechend beinhalten bevorzugte Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung, dass die Steuerung der ersten Abtasteinheit bei der Steuerung der weiteren Abtasteinheit berücksichtigt wird (und/oder umgekehrt), um eine „Kollision“ bzw. Überlagerung der Energiestrahlen zu vermeiden. Eine daraus folgende Abhängigkeit hinsichtlich der Steuerung der ersten Abtasteinheit und der weiteren Abtasteinheit steht der oben genannten Fähigkeit, losgelöst voneinander verschiedene Trajektorien zu erzeugen, jedoch nicht entgegen.
Es ist denkbar, dass die weitere Abtasteinheit in einigen Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung allein den zweiten Energiestrahl oder allein den Detektionspfad der Messanordnung relativ zu der Fertigungsplattform bewegt. Prinzipiell könnte der zweite Energiestrahl den Stapel mit den aufeinander angeordneten Werkstückschichten global, d.h. nicht-ortsaufgelöst anregen und eine ortsaufgelöste Detektion von Inhomogenitäten/Anomalien erfolgt im Wesentlichen durch geeignete Bewegung des Detektionspfades. Umgekehrt ist es prinzipiell denkbar, dass eine Ortsauflösung der Detektion vor allem durch eine lokal-selektive Anregung des Stapels mit dem zweiten Energiestrahl erreicht wird, während der Stapel oder die Stapeloberfläche als Ganzes mit einer Kamera erfasst wird. In bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt jedoch sowohl die Anregung des Stapels mit dem zweiten Energiestrahl als auch die Detektion jeweils lokal-selektiv. Daher gelten die vorstehenden und nachfolgenden Erläuterungen gleichermaßen für den Detektionspfad wie für den zweiten Energiestrahl.
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung besitzen den Vorteil, dass die Inspektion der Werkstückoberfläche zur Detektion von etwaigen Inhomogenitäten/Anomalien zeitgleich und trotzdem (weitgehend, nämlich bis auf die Vermeidung von Überlagerung) unabhängig von der Erzeugung einer neuen Werkstückschicht erfolgen kann. Insbesondere ist es möglich, dass sich der Schreibstrahl (erster Energiestrahl) und der Messstrahl (zweiter Energiestrahl) zeitgleich in voneinander entfernten Bereichen der Werkstückoberfläche bewegen, so dass beispielsweise auf der „linken“ Werkstückseite eine neue Werkstückschicht strukturiert wird, während auf der „rechten“ Werkstückseite eine bereits erfolgte Strukturierung inspiziert wird. Dementsprechend ist es auch möglich, eine zu Beginn eines Fertigungsschrittes erfolgte Strukturierung in einem Werkstückbereich zu inspizieren und ggf. zeitnah zu korrigieren (erneut zu bearbeiten), bevor die nächstfolgende Werkstückschicht begonnen wird.
Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung ermöglichen daher eine prozessnahe und flexible Überwachung des Fertigungsprozesses sowie die gezielte Detektion von Inhomogenitäten/Anomalien in bereits ausgehärteten Werkstückbereichen. Die oben genannte Aufgabe ist somit vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des neuen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung werden der zweite Energiestrahl und/oder der Detektionspfad in einem der zeitlich aufeinanderfolgenden Fertigungsschritte mithilfe der weiteren Abtasteinheit entlang einer weiteren Trajektorie aus der Vielzahl von weiteren Trajektorien bewegt, während der erste Energiestrahl entlang einer ersten Trajektorie bewegt wird.
In dieser Ausgestaltung machen das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung vorteilhaften Gebrauch von der Möglichkeit, den Stapel mit den aufeinander angeordneten Werkstückschichten bereits zu inspizieren, während die obere Werkstückschicht noch mit dem ersten Energiestrahl hergestellt wird. Dementsprechend profitieren das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung dieser Ausgestaltung von zwei zeitgleichen, separaten Bewegungen der Energiestrahlen. Die Ausgestaltung trägt dazu bei, ein qualitativ hochwertiges Werkstück additiv in geringer Zeit herzustellen.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die zweiten Trajektorien in Abhängigkeit von den ersten Trajektorien bestimmt, wobei vorzugsweise eine Überlagerung des zweiten Energiestrahls und des ersten Energiestrahls auf dem Stapel vermieden wird.
In dieser Ausgestaltung geht es um eine vorteilhafte Anpassung der Bewegung des zweiten Energiestrahls (Messstrahls) an die Bewegungen des ersten Energiestrahls (Schreibstrahls), ohne dass dies eine starre Kopplung zur Folge hat. Bei der Bestimmung der zweiten Trajektorien kann vorteilhaft berücksichtigt werden, dass der Energieeintrag in den Schichtenstapel innerhalb eines definierten räumlichen und zeitlichen Intervalls unterhalb einer definierten Schwelle bleibt. Beispielsweise regt der Messstrahl in dieser Ausgestaltung erst dann einen lokalen Bereich der Werkstückschicht an, wenn das Werkstückmaterial in diesem Bereich bereits hinreichend, d.h. unterhalb einer definierten Temperaturschwelle, abgekühlt und ausgehärtet ist. Hitzespots, innere Spannungen und Schichtablösungen in dem Schichtenstapel lassen sich dadurch vorteilhaft minimieren. Außerdem können die Schichten einfacher und genauer inspiziert werden. Der zweite Energiestrahl (Heizen) über die weitere Abtasteinheit unterscheidet sich vom ersten Energiestrahl (Schreibstrahl) in den bevorzugten Ausführungsbeispielen u.a. dadurch, dass er im Vergleich zum ersten Energiestrahl einen geringeren Energieeintrag generiert, um unterhalb der Schmelztemperatur zu bleiben. Die lokal selektive Erwärmung kann bei der Bestimmung der weiteren Trajektorien ebenfalls Berücksichtigung finden für eine optimierte Werkstückherstellung („local preheating“). Also sowohl die Berücksichtigung eines Temperaturlimits als auch das Anheben auf eine bestimmte Temperatur kann vorteilhaft für die Prozessoptimierung genutzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung werden ausgewählte erste Trajektorien in Abhängigkeit von den individuellen Eigenschaften des Stapels modifiziert.
In dieser Ausgestaltung profitieren das neue Verfahren und die neue Vorrichtung von einer Korrektur von Inhomogenitäten/Anomalien innerhalb des laufenden Fertigungsprozesses. Insbesondere können Inhomogenitäten/Anomalien in einer oberen Werkstückschicht bereits korrigiert werden, bevor die Herstellung dieser oberen Werkstückschicht vollständig abgeschlossen ist. Die Ausgestaltung trägt daher zu einer besonders effizienten Herstellung von qualitativ hochwertigen Werkstücken vorteilhaft bei.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die weiteren Trajektorien in Abhängigkeit von einer modifizierten ersten Trajektorie iterativ bestimmt.
In dieser Ausgestaltung interagieren das Strukturierungswerkzeug und die Messanordnung wechselseitig miteinander und passen die jeweiligen ersten Trajektorien und weiteren Trajektorien wechselseitig aneinander an, um eine optimale Herstellung eines Werkstücks in möglichst kurzer Zeit zu erreichen. Insbesondere kann in dieser Ausgestaltung eine weitere Trajektorie in Abhängigkeit von einer bereits modifizierten ersten Trajektorie ebenfalls modifiziert werden, um eine erneut bearbeitete Stelle erneut zu inspizieren und/oder den Energieeintrag an einer bestimmten Stelle des Werkstückstapels innerhalb eines definierten Zeitintervalls gezielt zu begrenzen und/oder zu verändern.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die weiteren Trajektorien, entlang der die Messanordnung den zweiten Energiestrahl und/oder den Detektionspfad bewegt, anhand einer computerunterstützten Simulation des Messprozesses in Abhängigkeit von den ersten Trajektorien bestimmt. Basierend auf der Abtaststrategie des Strukturierungswerkzeugs wird in den bevorzugten Ausführungsbeispielen eine optimale Abtaststrategie der Messanordnung in einem gegebenenfalls iterativen computerunterstützten Simulationsprozess bestimmt. Die Abtaststrategie kann die Dichte der jeweiligen Trajektorien innerhalb eines definierten Werkstückbereichs, die Bewegungsrichtung, die Bewegungsgeschwindigkeit, die Energie oder Leistung des jeweiligen Energiestrahls, ein Puls-Pause-Verhältnis oder andere Parameter beinhalten. Vorzugsweise findet dieser Simulationsprozess vor und/oder während der Fertigungsschritte statt. Basierend auf den individuellen Eigenschaften des Stapels, die mithilfe der Messanordnung während der Fertigungsschritte bestimmt werden können, werden bevorzugt modifizierte erste Trajektorien zeitlich parallel zu dem Schreibprozess bestimmt, um Inhomogenitäten/Anomalien zeitnah zu korrigieren. Beispielsweise kann durch erneutes lokal-selektives Aufschmelzen einer oberflächennahen Werkstückschicht eine Inhomogenität/Anomalie korrigiert werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird eine so korrigierte Stelle in einer Werkstückschicht mithilfe der Messanordnung erneut inspiziert, um sicherzustellen, dass die Inhomogenität/Anomalie erfolgreich beseitigt worden ist. Ggf. kann sich die wechselseitige Inspektion und Korrektur mehrfach wiederholen und die ersten und weiteren Trajektorien können dementsprechend wechselseitig iterativ in Abhängigkeit voneinander bestimmt werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die Parameter des ersten Energiestrahls im Verlauf der wechselseitigen Bearbeitung und Inspektion einer Stelle der Werkstückschicht in Abhängigkeit von den jeweils bestimmten individuellen Eigenschaften variiert werden. So können beispielsweise einer oder mehrere der nachfolgend genannten Parameter in Abhängigkeit von den Daten von der Messanordnung variiert werden: Leistungsdichte des ersten Energiestrahls, Energiedichte des ersten Energiestrahls, Fokussierung des ersten Energiestrahls, Abstand benachbarter Trajektorien des ersten Energiestrahls (Spurabstand). Des Weiteren kann in einigen Ausführungsbeispielen ergänzendes Werkstückmaterial oder ein spezielles Reparaturmaterial im Bereich einer Inhomogenität/Anomalie zugeführt werden, um eine Korrektur in Abhängigkeit von den Daten der Messanordnung zu erreichen.
In einer weiteren Ausgestaltung des neuen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung bewegt die weitere Abtasteinheit den zweiten Energiestrahl und den Detektionspfad gemeinsam entlang der Vielzahl von weiteren Trajektorien.
Diese Ausgestaltung ermöglicht die Realisierung der Messanordnung innerhalb der Vorrichtung mit einem einzigen kompakten Messmodul und ist daher in Bezug auf die Montage und Wartung sowie einen etwaigen Austausch der Messanordnung von Vorteil.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die weitere Abtasteinheit eine erste weitere Abtasteinheit und eine zweite weitere Abtasteinheit auf, wobei die erste weitere Abtasteinheit den zweiten Energiestrahl bewegt, und wobei die zweite weitere Abtasteinheit den Detektionspfad bewegt.
In dieser Ausgestaltung können der Erreger und der Detektor der Messanordnung baulich voneinander entfernt und beispielsweise in separaten Gehäusemodulen angeordnet werden, die an verschiedenen Seiten der Fertigungsplattform angeordnet sind. Die Messanordnung kann mit einer Aufteilung in mehrere Module leichter in der neuen Vorrichtung integriert werden. Vorteilhaft ist eine solche Anordnung insbesondere, wenn die Messanordnung oberflächennahe Deformationen des Stapels deflektometrisch, d.h. über einen Detektionspfad detektiert, der die Werkstückoberfläche als strahl- oder wellenfrontformendes Element beinhaltet,.
In einer weiteren Ausgestaltung werden der zweite Energiestrahl und/oder der Detektionspfad mithilfe der weiteren Abtasteinheit kontinuierlich bewegt, und die Messanordnung weist eine dritte Abtasteinheit auf, die der weiteren Abtasteinheit nachgeführt wird.
In dieser Ausgestaltung verwenden das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung eine dritte Abtasteinheit, die vorteilhaft zwischen dem Detektor und der weiteren Abtasteinheit angeordnet ist. Die dritte Abtasteinheit kann vorteilhaft verwendet werden, um Bewegungsunschärfe zu reduzieren, die bei einer kontinuierlichen Bewegung der weiteren Abtasteinheit auftreten kann. Die Ausgestaltung macht es möglich, die Bestimmung von oberflächennahen Inhomogenitäten/Anomalien sehr schnell und trotzdem mit hoher Ortsauflösung zu realisieren.
In einer weiteren Ausgestaltung erwärmt der Erreger den Stapel selektiv und die Messanordnung detektiert Deformationen und insbesondere Deformationskontraste in dem Stapel. Vorteilhaft kann der Detektor Deformationskontraste infolge von Inhomogenitäten deflektometrisch und/oder interferometrisch detektieren. Eine gezielte lokal-selektive Erwärmung (thermische Anregung) des Stapels mithilfe des zweiten Energiestrahls als Basis für eine vorteilhafte Messanordnung ist auch unabhängig von der oben beschriebenen, losgelöst voneinander erfolgenden Bewegung des ersten und zweiten Energiestrahls eine erfinderische Weiterbildung gegenüber dem Stand der Technik.
Die Ausgestaltung ermöglicht eine recht einfache und kostengünstige Realisierung der Messanordnung. In einigen Varianten könnte der Schreiblaser bzw. allgemeiner das Strukturierungswerkzeug verwendet werden, um eine oberflächennahe Werkstückschicht thermisch für eine Messung/Inspektion anzuregen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung regt jedoch der zweite Energiestrahl die Werkstückschicht an, und zwar vorzugsweise über ein Zeitintervall von einigen Mikrosekunden bis hin zu maximal 500 Millisekunden, besonders bevorzugt mit einem Heizintervall, dessen Dauer im Bereich zwischen 0,5 und 5 Millisekunden liegt. Der Durchmesser des zweiten Energiestrahls an der Werkstückoberfläche liegt in bevorzugten Ausführungsbeispielen im Bereich einiger Millimeter bis hin zu wenigen Zentimetern, also insbesondere in einer Größenordnung von 0,3 bis 1,5 cm. Die Werkstückoberfläche wird in den bevorzugten Ausführungsbeispielen mithilfe des zweiten Energiestrahls lokal erwärmt, wobei die Temperatur des Werkstückmaterials unter der Schmelztemperatur des Werkstückmaterials gehalten wird. Typischerweise wird durch die Erwärmung mit dem zweiten Energiestrahl ein Temperaturanstieg im Bereich weniger Kelvin bis zu 300 Kelvin erreicht, in manchen Fällen bis hin zu 500 Kelvin.
In einer weiteren Ausgestaltung erzeugt der Erreger eine Ultraschallwelle in dem Stapel.
In dieser Ausgestaltung regt der Erreger die Werkstückoberfläche über ein Zeitintervall an, das in einer Größenordnung von Pikosekunden bis hin zu Nanosekunden liegt, also in einem Zeitintervall, das kleiner als eine Mikrosekunde dauert. Der Durchmesser des zweiten Energiestrahls liegt in bevorzugten Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung in einer Größenordnung von wenigen Mikrometern bis hin zu wenigen Millimetern und ist vorzugsweise kleiner als 10 mm und besonders bevorzugt kleiner als 5 mm. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass oberflächennahe, jedoch unter der Oberfläche verborgene Inhomogenitäten/Anomalien sehr gut anhand von Deformationskontrasten detektiert und lokalisiert werden können. In einigen Ausführungsbeispielen kann ein Ultraschall-Detektor an der Fertigungsplattform angeordnet sein und Ultraschallsignale während der Erzeugung und/oder Messung einer Schicht detektieren.
In einer weiteren Ausgestaltung detektiert die Messanordnung Temperaturkontraste in dem Stapel.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung beinhaltet der Detektor eine Infrarotkamera und/oder ein Pyrometer. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann ein Pyrometer mit zwei separaten Kameras und jeweils vorgeschalteten Filtern realisiert sein, die auf verschiedene Wellenlängendurchlassbereiche abgestimmt sind. Die Ausgestaltung ermöglicht es, alternativ oder zusätzlich zu der Detektion von Temperaturkontrasten in dem schon ausgehärteten Werkstückmaterial auch das Schmelzbad im Bereich des ersten Energiestrahls mit hoher lokaler Auflösung zu überwachen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
2 eine erste Variante der Messanordnung in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
3 eine zweite Variante der Messanordnung gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel,
4 eine dritte Variante der Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5 eine vierte Variante der Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 eine fünfte Variante der Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
7 eine sechste Variante der Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
8 eine siebte Variante der Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
9 eine achte Variante der Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
10 eine neunte Variante der Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
11 eine zehnte Variante der Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
12 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Fertigungsplattform 12, auf der hier ein Werkstück 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens additiv hergestellt wird. Das Werkstück 14 wird in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten schichtweise von unten nach oben aufgebaut. Die in 1 oberste Werkstückschicht ist mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet. Nach Fertigstellung einer Werkstückschicht 16 wird in diesem Ausführungsbeispiel mithilfe eines Rakels 18 eine neue Materialschicht aus einem pulverförmigen Material, etwa einem metallischen und/oder Keramikmaterial auf dem Schichtstapel 20 verteilt. Typischerweise wird die Fertigungsplattform 12 dafür in Richtung des Pfeils 22 um die Höhe der nächsten Materialschicht abgesenkt. Andere Ausführungsbeispiele können die Ausbringung eines Werkstückmaterials ohne Rakel beinhalten, also etwa eine lokal-selektive Zuführung eines Werkstückmaterials mit einem beweglichen Werkzeugkopf.
Mit der Bezugsziffer 24 ist hier allgemein ein Strukturierungswerkzeug bezeichnet, das im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Laserstrahl 26 erzeugt und diesen mithilfe einer ersten Abtasteinheit (in 1 nicht dargestellt) relativ zu der Fertigungsplattform 12 und der zu strukturierenden Materialschicht 16 bewegt. Mit der Bezugsziffer 28 ist eine erste Trajektorie bezeichnet, entlang der der Laserstrahl 26 hier auf der Schicht 16 bewegt wird, um die pulverförmigen Materialpartikel entlang der Trajektorie 28 lokal-selektiv aufzuschmelzen.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Strukturierungswerkzeug 24 einen Elektronenstrahl erzeugen, um eine Werkstückschicht auf der Fertigungsplattform 12 zu strukturieren. Des Weiteren könnte das Strukturierungswerkzeug 24 in weiteren Ausführungsbeispielen alternativ oder ergänzend zu dem Energiestrahl 26 ein Werkstückmaterial lokal-selektiv auf der Fertigungsplattform 12 bzw. der obersten Werkstückschicht 16 ausbringen, beispielsweise in Form eines Materialpulvers, das in ein Schmelzbad eingebracht wird und/oder in Form eines drahtförmigen Materials, das auf der oberen Werkstückschicht 16 platziert wird. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 mehr als ein Strukturierungswerkzeug 24 beinhalten, also etwa zwei, drei oder mehr Laser- und/oder Elektronenstrahlen zum Erzeugen einer Werkstückschicht verwenden.
Das Strukturierungswerkzeug 24, im Folgenden zum Teil einfach als Schreiblaser bezeichnet, ist mit einer Steuerung 30 verbunden, die die Bewegung des Laserstrahls 26 entlang der ersten Trajektorie 28 steuert. Die Steuerung 30 besitzt eine Schnittstelle 32, über die ein Datensatz 34 zugeführt werden kann, der das herzustellende Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten definiert. Mit anderen Worten steuert die Steuerung 30 die Bewegung des Laserstrahls 26 in Abhängigkeit von dem Datensatz 34, wobei der Laserstrahl 26 in jeder herzustellenden Werkstückschicht 16 eine jeweilige erste Trajektorie beschreibt, die sich aus dem Datensatz 34 ergibt.
Mit der Bezugsziffer 36 ist eine Messanordnung bezeichnet, die hier einen Erreger 38 und einen Detektor 40 beinhaltet. Weitere Details der Messanordnung 36 werden nachfolgend anhand der 2 bis 11 für verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert.
Der Erreger 38 erzeugt einen zweiten Energiestrahl 42, der in bevorzugten Ausführungsbeispielen ebenfalls ein Laserstrahl ist. Der Laserstrahl 42 dient in einigen Ausführungsbeispielen dazu, die obere Werkstückschicht 16 und bevorzugt auch weitere oberflächennahe Werkstückschichten unterhalb der obersten Werkstückschicht 16 lokal-selektiv aufzuheizen, um auf diese Weise eine lokale Deformation der Werkstückschicht 16 und weiterer oberflächennaher Schichten thermisch anzuregen. In anderen Ausführungsbeispielen kann mithilfe des Laserstrahls 42 eine Ultraschallwelle in der oberflächennahen Werkstückschicht 16 induziert werden, die sich in der Werkstückschicht 16 und weiteren oberflächennahen Werkstückschichten des Stapels 20 ausbreitet und zu temporären Deformationen des Stapels führt.
Mit der Bezugsziffer 44 ist ein Detektionspfad bezeichnet, über den der Detektor 40 die mithilfe des Laserstrahls 42 angeregten oberflächennahen Deformationen lokal-selektiv detektieren kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Detektor zusätzlich oder alternativ die Temperatur der oberflächennahen Werkstückschichten lokal-selektiv messen.
Wie nachfolgend anhand der 2 bis 11 für mehrere Ausführungsbeispiele erläutert, besitzt die Messanordnung 36 eine weitere Abtasteinheit (hier nicht dargestellt), mit der der Laserstrahl 42 und/oder der Detektionspfad 44 entlang einer weiteren Trajektorie 46 bewegen kann. Die Messanordnung 36 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der Steuerung 30 verbunden, so dass die Steuerung 30 nicht nur das Strukturierungswerkzeug 24, sondern auch die Bewegungen des Laserstrahls 42 und/oder des Detektionspfades 44 steuern kann.
Einige Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 10 können zwei separate Steuerungen beinhalten, wobei eine erste Steuerung das Strukturierungswerkzeug 24 steuert, während eine separate zweite Steuerung die Messanordnung 36 steuert. Vorzugsweise sind die beiden separaten Steuerungen in diesen Ausführungsbeispielen über eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle verbunden, um die Bewegung des Schreibstrahls 26 und die Bewegung des Messstrahls 42, 44 wechselseitig miteinander zu koordinieren und insbesondere eine Überlagerung des für die Messung verwendeten Laserstrahls 42 mit dem Schreibstrahl 26 auf der Werkstückschicht 16 zu vermeiden. Ungeachtet dessen können der Laserstrahl 42 und/oder der Detektionspfad 44 aber in allen bevorzugten Ausführungsbeispielen mechanisch entkoppelt und somit losgelöst von dem Schreibstrahl 26 auf der Werkstückschicht 16 bewegt werden.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden das Strukturierungswerkzeug 24 und die Messanordnung 36 mit einer gemeinsamen Steuerung 30 gesteuert. Vorzugsweise wird auf der Steuerung 30 ein erstes Steuerprogramm zum Steuern des Strukturierungswerkzeugs 24 und ein separates zweites Steuerungsprogramm zum Steuern der Messanordnung 36 ausgeführt. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen tauschen die beiden genannten Steuerprogramme wechselseitig Steuerdaten über eine interne Schnittstelle der Steuerung 30 aus. Die interne Schnittstelle kann eine reine Softwareschnittstelle sein und/oder mithilfe eines gemeinsamen Speicherbereichs innerhalb der Steuerung 30 realisiert sein, auf den die beiden genannten Steuerprogramme jeweils lesend und schreibend zugreifen können. Beispielsweise kann die interne Schnittstelle ein Dual-Ported RAM sein.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Steuerung 30 oder sind die jeweiligen Steuerungen für das Strukturierungswerkzeug 24 und die Messanordnung 36 mithilfe handelsüblicher Personal Computer realisiert, auf denen ein handelsübliches Betriebssystem, wie etwa Microsoft Windows, MacOS oder Linux, und die genannten Steuerprogramme ausgeführt werden. In einigen Fällen kann die Steuerung 30 als Soft-SPS auf einem handelsüblichen PC realisiert sein. Alternativ oder ergänzend können die Steuerungen mithilfe dedizierter Steuerungshardware in Form von einem oder mehrere ASICs, FPGAs, Mikrocontrollern, Mikroprozessoren oder vergleichbaren Logikschaltkreisen realisiert sein.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messanordnung 36, die in der Vorrichtung 10 gemäß 1 verwendet sein kann, dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor.
Das Strukturierungswerkzeug 24 beinhaltet hier einen Laser 48 (Schreiblaser) und eine erste Abtasteinheit 50, die beispielsweise einen beweglichen Umlenkspiegel 52 beinhalten kann. Mithilfe der Abtasteinheit 50 kann die Steuerung 30 den Laserstrahl 26 entlang einer ersten Trajektorie 28 auf dem Werkstück 14 bewegen, um eine neue Werkstückschicht 16 zu erzeugen. Wie weiter oben schon angedeutet, könnte anstelle eines Schreiblasers 48 auch eine Elektronenstrahlquelle verwendet sein.
Die Messanordnung 36 besteht hier aus einem kompakten, integrierten Modul 53, das eine weitere Abtasteinheit 54 beinhaltet, mit der sowohl der Laserstrahl 42 zum Anregen des Werkstückstapels 20 als auch der Detektionspfad 44 auf der Werkstückoberfläche bewegt werden können. Die Messanordnung 36 beinhaltet hier einen weiteren Laser als Erreger 38. Der weitere Laser (Heizlaser) kann beispielsweise ein Faserlaser mit einem Kollimator sein, der einen kollimierten Laserstrahl 42 erzeugt. Der kollimierte Laserstrahl 42 wird über einen oder mehrere Umlenkspiegel auf die weitere Abtasteinheit 54 geführt.
Ferner beinhaltet die Messanordnung 36 hier einen dritten Laser 56, der im Folgenden als Messlaser bezeichnet wird. Der Messlaser 56 erzeugt einen Messlaserstrahl 58, der über einen Teilerspiegel in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird. Ein erster Teilstrahl wird zu der zweiten Abtasteinheit 54 geführt und von dort zusammen mit dem Laserstrahl 42 auf die Werkstückoberfläche gespiegelt. Ein zweiter Teilstrahl 60 wird über einen Spiegel 62 in dem Modul 53 reflektiert und bildet einen Referenzmessstrahl für eine interferometrische Messung. Eine Reflexion des Messlaserstrahls 58 an der Werkstückoberfläche wird mit der weiteren Abtasteinheit 54 entlang des Detektionspfades 44 erfasst und mit dem vom Spiegel 62 reflektierten Referenzmessstrahl 60 überlagert. Ein optischer Sensor 64, der eine Kamera mit einem Pixelarray, eine Zeilenkamera oder einen optischen Punktsensor beinhalten kann, detektiert die Überlagerung des reflektierten Messlaserstrahls und des reflektierten Referenzmessstrahls.
In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Messanordnung 36 ein Speckle-Interferometer. Dementsprechend kann die Messanordnung 36 hier nach dem Prinzip der elektronischen Specklemuster-Interferometrie (ESPI) arbeiten, um kleine Deformationen des Werkstückstapels 20 infolge der thermischen Anregung mit dem Laserstrahl 42 zu detektieren. Mit anderen Worten beinhaltet die Messanordnung 36 in diesem Ausführungsbeispiel ein Speckle-Interferometer mit einem Messlaser 56, dessen Strahlengang 58 den Weg zu der Werkstückoberfläche über die weitere Abtasteinheit 54 einschließt. Charakteristisch an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die weitere Abtasteinheit 54 den Laserstrahl 42 zum Aufheizen der Werkstückoberfläche und den Messlaserstrahl 58 zum Detektieren der thermisch induzierten Deformationen gemeinsam entlang der zweiten Trajektorie 46 (1) bewegt, um eine Inhomogenität/Anomalie 66 in einer oberen Werkstückschicht zu detektieren. Die Heizenergie des Heizlasers breitet sich von der Anregungsstelle an der Werkstückoberseite aus und die Inhomogenität/Anomalie 66 „stört“ diese Ausbreitung. Mithilfe der Messanordnung 36 ist es möglich, diese „Störung“ in Form eines Deformationskontrastes zu detektieren. Insbesondere ist es möglich, Oberflächendeformationen senkrecht zu der Werkstückoberfläche und parallel zu der Werkstückoberfläche zu detektieren.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Messanordnung 36. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Messanordnung 36 eine erste weitere Abtasteinheit 54a und eine zweite weitere Abtasteinheit 54b. Die Abtasteinheit 54a bewegt den Laserstrahl 42 des Heizlasers 38, während die Abtasteinheit 54b den Messlaserstrahl 58 bewegt. Die Abtasteinheiten 54a, 54b werden vorzugsweise synchron zueinander gesteuert, um den Heizlaserstrahl 42 und den Messlaserstrahl 58 bzw. den Detektionspfad 44 lokal-selektiv auf einen gemeinsamen Oberflächenpunkt des Schichtstapels 20 zu richten. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Detektionspfad 44 dem Heizstrahl 42 entlang in einem definierten Abstand (hier nicht dargestellt) nachlaufen. Wie man in 3 erkennen kann, beinhaltet die Messanordnung 36 in diesem Ausführungsbeispiel zwei separate Module 53a, 53b, die beispielsweise gegenüber voneinander in Bezug auf die Fertigungsplattform 12 angeordnet sein können. Im Übrigen kann auch dieses Ausführungsbeispiel der Messanordnung 36 auf dem Prinzip der Speckle-Interferometrie basieren.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messanordnung 36. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen wiederum dieselben Elemente wie zuvor. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Messanordnung 36 eine erste weitere Abtasteinheit 54c, die sowohl den Heizlaserstrahl 42 als auch den Messlaserstrahl 58 entlang einer weiteren Trajektorie 46 bewegt. Eine zweite weitere Abtasteinheit 54d erfasst eine Reflexion/Streuung des Messlaserstrahls 58 und überlagert diese mit dem Referenzmessstrahl 60. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Messanordnung 36 nach dem Prinzip der Speckle-Interferometrie arbeiten, mit einem Messlaser, dessen Strahlengang die Wege zur gemessenen Werkstückoberfläche einschließt.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messanordnung 36. In diesem Ausführungsbeispiel bewegt eine erste weitere Abtasteinheit 54a den Heizlaserstrahl 42 entlang einer weiteren Trajektorie auf der Oberfläche des Schichtstapels 20. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 besitzt die Messanordnung 36 hier eine zweite weitere Abtasteinheit 54e, die den Messlaserstrahl 58 an der Oberfläche des Schichtstapels 20 bewegt, sowie eine dritte weitere Abtasteinheit 54f, die eine Reflexion/Streuung des Messlaserstrahls von der Oberfläche entlang des Detektionspfades 44 erfasst.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messanordnung 36, das in weiten Teilen dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 basiert das Ausführungsbeispiel gemäß 6 auf dem Prinzip der Shearing-Interferometrie. Die Messanordnung 36 beinhaltet daher ein Shearing-Element 68 anstelle des Strahlteilers und des Spiegels 62 aus 2. Das Shearing-Element ist typischerweise eine prismatisches Element, das zwei geringfügig verschobene Bilder von der Oberfläche des Schichtstapels 20 entlang des Detektionspfades 44 erzeugt, wodurch eine interferometrische Messung möglich wird. Die Messanordnung 36 gemäß 6 ist recht unempfindlich gegenüber Erschütterungen, da die interferierenden Teilwellen für die interferometrische Messung jeweils über die Oberfläche des Schichtstapels 20 geführt sind. Zudem kann ein Shearing-Interferometer Gradienten der Oberflächendeformationen detektieren (im Gegensatz zu Deformationen beim ESPI). Ein Shearing-Element und die darauf basierende Shearing-Interferometrie kann auch in den anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messanordnung 36, das in weiten Teilen dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 beinhaltet die Messanordnung 36 eine dritte Abtasteinheit 70, die sich im Strahlengang vor dem optischen Sensor 64 befindet. Die dritte Abtasteinheit 70 ist hier mit der weiteren Abtasteinheit 54 synchronisiert und kompensiert so eine Bewegungsunschärfe, die insbesondere auftreten kann, wenn die Abtasteinheit 54 kontinuierlich bewegt wird, während mit dem optischen Sensor 64 Interferenzbilder von der Oberfläche des Werkstückstapels 20 aufgenommen werden. In diesem Ausführungsbeispiel kann sich der Laserspot des Schreiblasers 48 innerhalb eines Field of View bewegen, während das Field of View für die Messung lokal selektiv ortsfest bleibt. Eine solche Verwendung einer dritten Abtasteinheit ist auch in den anderen Ausführungsbeispielen möglich.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messanordnung 36. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor. In diesem Ausführungsbeispiel verwendet die Messanordnung 36 einen Kurzpulslaser 72, dessen Laserstrahl 42 eine Ultraschallwelle in dem Werkstückstapel 20 anregt. Der Laserstrahl 42 wird hier mithilfe einer ersten weiteren Abtasteinheit 54a lokal-selektiv auf eine Position an der Oberfläche des Werkstückstapels 20 fokussiert. Von dort breiten sich Ultraschallwellen entlang der Oberfläche des Werkstückstapels 20 (Rayleigh-Wellen, Skimming Modes) und in den Werkstückstapel 20 hinein (Longitudinal- und Shearwellen) aus. An der Position des Laserspots selbst entstehend zeitlich variierende lokale Deformationen der Stapeloberfläche (akustisches Nahfeld). Der Messlaser 56 wird verwendet, um in einem festen oder variierenden Abstand zu der Position des Anregungsspots Oberflächenauslenkungen und/oder Geschwindigkeitsänderungen infolge der Ultraschallwellen zu messen. Alternativ oder ergänzend kann hier direkt an der Position des Anregungsspots die zeitlich variierende Oberflächenauslenkung gemessen werden. Die Position des Messlaserstrahls 58 wird hier mithilfe einer zweiten weiteren Abtasteinheit 54b variiert. Dementsprechend kann der Messlaserstrahl 58 hier mithilfe der weiteren Abtasteinheit 54b wahlweise an die Position der Anregung (hier dargestellt bei der Bezugsziffer 58) oder in einem definierten Abstand dazu gerichtet werden (hier bei der Bezugsziffer 58' dargestellt). In einigen vorteilhaften Varianten steuert die Steuerung 30 den Messlaserstrahl 58 im Verlauf einer Messung abwechseln an die Position der Anregung und in einen definierten Abstand dazu.
Die Amplituden der Auslenkungen liegen typischerweise in einer Größenordnung von 10^-10 bis 10^-9m, die Geschwindigkeiten im Bereich von mm/s bis cm/s. Die Messung kann die Auslenkungen der Stapeloberfläche in Normalenrichtung („out-of-plane“) oder innerhalb der Oberflächenebene („in-plane“) oder beides beinhalten. Die Messung kann auch hier interferometrisch, wie dargestellt, und/oder deflektometrisch erfolgen. Eine deflektometrische Messung basiert auf der Ablenkung des Messlaserstrahls 58 infolge der induzierten Deformation der Stapeloberfläche sowie einer ortsaufgelösten Detektion des abgelenkten Messlaserstrahls.
Die Messanordnung 36 gemäß 8 basiert auf der interferometrischen Messung, wobei hier die Beleuchtung der Stapeloberfläche mit dem Messlaserstrahl 58 und die Messung der Reflexion und/oder Streuung gemeinsam über die zweite weitere Abtasteinheit 54b erfolgen. Zur Messung der Deformationen an der Oberfläche, die durch Ultraschallausbreitung in dem Werkstückstapel angeregt werden, eignen sich wegen ihrer hohen Detektivität/Sensitivität Interferometer auf Basis eines fotorefraktiven Kristalls 74, wie z.B. two-wave-mixing Interferometer oder ein photo-induced emf Detektor, mit dessen Hilfe der reflektierte Messlaserstrahl und der Teilstrahl 60 (Referenzstrahl) überlagert werden, sowie Fabry-Perot-Interferometer oder faserbasierte Sagnac-Interferometer. Die Messung bestimmt - je nach Ausführung des Interferometers - Deformationen (in-plane, out-of-plane) oder Geschwindigkeiten (zeitabh. Deformationen).
Die erste weitere Abtasteinheit 54a und die zweite weitere Abtasteinheit 54b werden in den bevorzugten Ausführungsbeispielen synchron zueinander angesteuert, um den Abstand zwischen den Positionen der Laserspots für die Anregung der Ultraschallwelle und für die Messung während der Bewegung über den Werkstückstapel 20 wahlweise konstant bei 0 zu halten, konstant bei einem festen Wert zu halten und/oder in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Werkstückstapels 20 im Verlauf einer Messung zu variieren. An jeder Messposition werden die Messdaten über eine Zeitspanne von mehren Nanosekunden bis hin zu Millisekunden mit einer Zeitauflösung im Nanosekundenbereich erfasst. Dies bildet den sogenannten A-Scan. Die Messdaten eines A-Scans entlang einer Trajektorie 46 können in einigen Ausführungsbeispielen zu einem B-Scan zusammengefasst werden. Die Gesamtheit aller A-Scans, d.h. die Messdaten für alle Messpositionen an dem Werkstückstapel 20, wird typischerweise als C-Scan bezeichnet, wie dies den Fachleuten auf dem Gebiet der Ultraschallmessung für sich genommen bekannt ist.
Für den Fall identischer bzw. überlappender Anregungs- und Messposition wird der sich unmittelbar unter der Oberfläche des Werkstückstapels 20 befindliche Bereich auf Inhomogenitäten/Anomalien 66 inspiziert. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen liefert ein Vergleich von Daten eines A-Scans mit der Simulation der Laseranregung der Oberfläche und deren Wechselwirkung mit den oberflächennahen Inhomogenitäten Informationen zu Inhomogenitäten/Anomalien 66 direkt unterhalb der jeweiligen Messposition. B-Scans und der C-Scan liefern mit Methoden der Bildverarbeitung weitere Informationen zu Inhomogenitäten/Anomalien, insbesondere zu lateral ausgedehnten Defekten, wie etwa Rissen.
Für den Fall eines festen oder variierenden Abstandes zwischen der Anregungsposition und der Messposition werden Modelle der Ausbreitung von Ultraschallmoden und deren Wechselwirkung mit Inhomogenitäten/Anomalien, wie z.B. Reflexion, Streuung, Lamb-Moden, verwendet und vorteilhaft zur Auswertung der Messdaten herangezogen. Dementsprechend ist die Messanordnung 36 in einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet, Inhomogenitäten/Anomalien 66 unter Verwendung von B-Scans und/oder dem C-Scan zu lokalisieren und/oder zu quantifizieren. Vorteilhaft ist die Messanordnung 36 in einigen Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet, Methoden des maschinellen Lernens zu verwenden, um Inhomogenitäten/Anomalien 66 zu detektieren und hinsichtlich Größe, Tiefe und/oder Art zu klassifizieren. Eine Analyse der Messdaten kann eine Auswertung sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich unter Verwendung von Fourier-Methoden beinhalten.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messanordnung 36, die auf der Anregung von Ultraschallwellen in dem Werkstückstapel 20 basiert. Die Messanordnung 36 gemäß 9 beinhaltet hier drei weitere Abtasteinheiten 54a, 54g und 54h. Die weitere Abtasteinheit 54a bewegt den Laserstrahl 42 zur Anregung der Ultraschallwelle entlang einer weiteren Trajektorie. Die weitere Abtasteinheit 54g bewegt hier synchron zu der Abtasteinheit 54a einen Messlaserstrahl, dessen Reflexion an der Oberfläche des Werkstückstapels 20 mithilfe der weiteren Abtasteinheit 54h lokal-selektiv detektiert wird.
Auch in den Ausführungsbeispielen, die auf der Anregung einer Ultraschallwelle basieren, kann eine dritte Abtasteinheit 70 (hier nicht dargestellt) entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 verwendet sein, um eine Bewegungsunschärfe bei einer kontinuierlichen Bewegung der weiteren Abtasteinheiten zu reduzieren. In allen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die zur Inspektion verwendeten Laserstrahlen losgelöst von dem Schreibstrahl 26 entlang einer für die Inspektion des Werkstückstapels 20 optimierten Trajektorie 46 (siehe 1) bewegt werden, wobei die Bewegung wahlweise auch Sprünge von einer Messposition zu einer räumlich entfernten Messposition beinhalten kann. Der Heizlaser 38 in den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 bis 7 kann kontinuierlich (continuous wave) oder gepulst betrieben werden. In weiteren Ausführungsbeispielen, die hier nicht gesondert dargestellt sind, kann die Anregung des Werkstückstapels 20 global erfolgen und lediglich die Detektion der Temperaturkontraste, Deformationskontraste oder Deformationen des Stapels 20 wird ortsaufgelöst detektiert.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messanordnung 36. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen weiterhin dieselben Elemente wie zuvor.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Messanordnung 36 eine erste Kamera 76a und eine zweite Kamera 76b sowie ein erstes Bandpassfilter 78a und ein zweites Bandpassfilter 78b. Die Bandpassfilter 78a, 78b besitzen voneinander verschiedene Durchlassbereiche, so dass die Kameras 76a, 76b verschiedene Spektralbänder erfassen. In einigen Ausführungsbeispielen besitzen die Kameras 76a, 76b eine Sensitivität im nahen Infrarotbereich (NIR, λ < 1,1 µm) oder im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR). Aus dem Verhältnis der Intensitäten der jeweils gemessenen, von der Oberfläche des Werkstückstapels 20 reflektierten Strahlung kann in jedem Pixel der Kameras die Temperatur an der Oberfläche des Werkstückstapels 20 bestimmt werden. Dementsprechend ist die Messanordnung 36 in diesem Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, eine direkte, ortsaufgelöste Temperaturmessung des Werkstückstapels 20 zu ermöglichen. Mithilfe des Heizlasers 38 wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Temperaturkontrast zwischen einer Inhomogenität/Anomalie in dem Werkstückstapel 20 und der umgebenden Oberfläche des Werkstückstapels 20 induziert.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messanordnung 36, wobei hier anstelle der zwei Kameras 76a, 76b und der jeweils zugeordneten Bandpassfilter 78a, 78b eine Infrarotkamera 80 verwendet ist.
Es sei gesagt, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Messanordnung 36 auch miteinander kombiniert werden können, indem eine Messanordnung 36 beispielsweise sowohl eine Temperaturmessung gemäß den 10 und/oder 11 als auch eine Ultraschallmessung gemäß den 8 oder 9 und/oder eine interferometrische und/oder deflektometrische Messung von thermisch induzierten Deformationen beinhalten kann.
In 12 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens dargestellt. Im Schritt 82 wird ein Datensatz empfangen, der ein herzustellendes Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten definiert. Gemäß Schritt 84 werden basierend auf dem Datensatz aus Schritt 82 erste Trajektorien bestimmt, entlang der ein Laser- oder Elektronenstrahl jeweils bewegt werden soll, um eine Werkstückschicht zu strukturieren. Gemäß Schritt 86 werden in Abhängigkeit von dem Datensatz aus Schritt 82 und den ersten Trajektorien aus Schritt 84 zweite Trajektorien bestimmt, entlang der eine ortsaufgelöste Messung der Werkstückschichten erfolgen soll. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Messung für jede Werkstückschicht computerunterstützt simuliert, um insbesondere eine Überlagerung des Schreibstrahls und eines Messstrahls/Detektionspfades zu vermeiden.
Im Schritt 88 wird hier eine Zählvariable gesetzt und in den folgenden Fertigungsschritten jeweils inkrementiert. Gemäß Schritt 90 wird nun eine n-te Werkstückschicht mithilfe des Strukturierungswerkzeugs erzeugt. Gemäß Schritt 92 wird die n-ten Schicht parallel mithilfe der Messanordnung 36 gemessen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen beginnt die Messung der n-ten Schicht zeitlich verzögert zu der Erzeugung der n-ten Schicht gemäß Schritt 90, wobei bereits hergestellte Bereiche der n-ten Werkstückschicht 90 gemessen werden, während andere Bereiche der n-ten Werkstückschicht noch hergestellt werden.
Gemäß Schritt 94 erfolgt eine Auswertung der Messdaten und eine Entscheidung, ob eine Korrektur der n-ten Werkstückschicht erforderlich ist. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Messdaten Inhomogenitäten/Anomalien in der n-ten Werkstückschicht und/oder den darunterliegenden Werkstückschichten repräsentieren. Wenn eine Korrektur erforderlich erscheint, wird hier gemäß Schritt 96 die erste Trajektorie für die n-te Werkstückschicht modifiziert, so dass die Inhomogenität/Anomalie bereits im Verlauf der Herstellung der n-ten Werkstückschicht korrigiert werden kann. Mit anderen Worten wird die im Schritt 84 für die n-te Werkstückschicht bestimmte Trajektorie um weitere Bewegungen ergänzt und/oder es werden im Schritt 84 bestimmte Bewegungen modifiziert, so dass eine Korrektur von detektierten Inhomogenitäten/Anomalien möglich wird. Erscheint keine Korrektur erforderlich, kann der Schritt 96 für die entsprechende Werkstückschicht entfallen und der „Messpfad“ des Verfahrens beginnt erneut im Schritt 92.
Wenn die Herstellung der n-ten Schicht einschließlich etwaiger Korrekturen abgeschlossen ist, wird gemäß Schritt 98 geprüft, ob eine weitere Werkstückschicht hergestellt werden soll. Wenn ja, kehrt das Verfahren gemäß Schleife 100 zum Schritt 88 zurück. Wenn die Herstellung aller Werkstückschichten abgeschlossen ist, kann in einigen bevorzugten Varianten des Verfahrens das hergestellte Werkstück gemäß Schritt 102 nochmals als Ganzes gemessen werden. Beispielsweise kann das Werkstück im Schritt 102 mithilfe von Röntgenstrahlen und/oder mithilfe fachüblicher Koordinatenmessverfahren gemessen werden, um die Einhaltung vorgegebener Spezifikationen zu überprüfen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

EP 1815936 B1 [0003, 0008]
US 2015/0375456 A1 [0007]
US 7278315 B1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing“ von Sarah K. Everton et al. in Materials and Design 95 (2016) [0006]

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14), mit den Schritten: - Empfangen eines Datensatzes (34), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten (16) definiert, - Bereitstellen einer Fertigungsplattform (12), - Bereitstellen eines Strukturierungswerkzeugs (24) mit einer ersten Abtasteinheit (50), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Energiestrahl (26) ortsaufgelöst relativ zu der Fertigungsplattform (12) zu bewegen, - Bestimmen einer Vielzahl von ersten Trajektorien (28) in Abhängigkeit von dem Datensatz (34), - Bewegen des ersten Energiestrahls (26) relativ zu der Fertigungsplattform (12) in zeitlich aufeinander folgenden Schritten (100) entlang jeweils einer ersten Trajektorie (28) aus der Vielzahl von ersten Trajektorien, um in den zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten einen Stapel (20) mit aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16) zu erzeugen, die den ersten Trajektorien entsprechen, - Bestimmen von individuellen Eigenschaften des Stapels (20) mit einer Messanordnung (36) mit einem Erreger (38), der den Stapel (20) mit einem zweiten Energiestrahl (42) anregt, und mit einem Detektor (40), der Eigenschaften des Stapels (20) infolge der Anregung entlang eines definierten Detektionspfades (44) ortsaufgelöst detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiestrahl (42) und/oder der Detektionspfad (44) mit Hilfe einer weiteren Abtasteinheit (54) entlang einer Vielzahl von weiteren Trajektorien (46) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegt wird, wobei sich die weiteren Trajektorien (46) zumindest teilweise von den ersten Trajektorien (28) unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiestrahl (42) und/oder der Detektionspfad (44) in einem der zeitlich aufeinanderfolgenden Schritte mit Hilfe der weiteren Abtasteinheit (54) entlang einer weiteren Trajektorie (46) aus der Vielzahl von weiteren Trajektorien bewegt werden, während der erste Energiestrahl (26) entlang einer ersten Trajektorie (28) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Trajektorien (46) in Abhängigkeit von den ersten Trajektorien (28) bestimmt werden, wobei vorzugsweise eine Überlagerung des zweiten Energiestrahls (42) und des ersten Energiestrahls (26) auf dem Stapel vermieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählte erste Trajektorien in Abhängigkeit von den individuellen Eigenschaften des Stapels modifiziert (96) werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Trajektorien in Abhängigkeit von einer modifizierten ersten Trajektorie iterativ bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Abtasteinheit (54) den zweiten Energiestrahl (42) und den Detektionspfad (44) gemeinsam entlang der Vielzahl von weiteren Trajektorien (46) bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Abtasteinheit (54a) eine erste weitere Abtasteinheit (54b) und eine zweite weitere Abtasteinheit aufweist, wobei die erste weitere Abtasteinheit (54a) den zweiten Energiestrahl bewegt, und wobei die zweite weitere Abtasteinheit (54b) den Detektionspfad bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiestrahl und/oder der Detektionspfad mit Hilfe der weiteren Abtasteinheit kontinuierlich bewegt werden, und dass die Messanordnung (36) eine dritte Abtasteinheit aufweist, die der weiteren Abtasteinheit (54) nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Erreger (38) den Stapel (20) selektiv erwärmt und dass die Messanordnung (36) Deformationskontraste in dem Stapel (20) detektiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Erreger (38) eine Ultraschallwelle in dem Stapel (20) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (36) Temperaturkontraste in dem Stapel (20) detektiert.
Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14), mit einer Schnittstelle (32) zum Empfangen eines Datensatzes (34), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten (16) definiert, mit einer Fertigungsplattform (12), mit einem Strukturierungswerkzeug (24) mit einer ersten Abtasteinheit (50), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Energiestrahl (26) ortsaufgelöst relativ zu der Fertigungsplattform (12) zu bewegen, mit einer Steuerung (30), die die erste Abtasteinheit (50) in Abhängigkeit von dem Datensatz (34) ansteuert, um den ersten Energiestrahl (26) in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten (100) entlang einer Vielzahl von ersten Trajektorien (28) relativ zu der Fertigungsplattform (12) zu bewegen, wobei das Strukturierungswerkzeug (24) in den zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten (100) einen Stapel (20) mit aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt, die den ersten Trajektorien (28) entsprechen, und mit einer Messanordnung (36), die dazu eingerichtet ist, individuelle Eigenschaften des Stapels (20) zu bestimmen, wobei die Messanordnung (36) einen Erreger (38) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Stapel (20) mit einem zweiten Energiestrahl (42) anzuregen, und wobei die Messanordnung (36) einen Detektor (40) aufweist, der dazu eingerichtet ist, Eigenschaften des Stapels (20) infolge der Anregung entlang eines Detektionspfades (44) ortsaufgelöst zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (36) eine weitere Abtasteinheit (54) aufweist, und dass die Steuerung (30) dazu eingerichtet ist, die weitere Abtasteinheit (54) losgelöst von der ersten Abtasteinheit (50) so zu steuern, dass sich der zweite Energiestrahl (42) und/oder der Detektionspfad (44) entlang einer Vielzahl von weiteren Trajektorien (46) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegen, wobei sich die weiteren Trajektorien (46) von den ersten Trajektorien (28) unterscheiden können.