DE102019132535A1

DE102019132535A1 - Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente mit einer Online-Prozesskontrolle und hierfür geeignete Vorrichtung

Info

Publication number: DE102019132535A1
Application number: DE102019132535.8A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Brandau; Jan Werschnik
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-12-10
Also published as: DE112020002712A5; WO2020244712A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente, bei dem Materialschichten mit einer Bearbeitungsstrahlung entlang von Bearbeitungsorten schichtweise beaufschlagt werden, währenddessen von den Bearbeitungsorten kommende Strahlung empfangen wird, die empfangene Strahlung jeweils spektral in ein dem jeweiligen Bearbeitungsort zugeordnetes Spektrum zerlegt wird und die Spektren analysiert werden. Die Analyse erfolgt insbesondere anhand von abgespeicherten oder während des Druckverfahrens erlernten Vergleichsspektren.Die Erfindung betrifft auch eine hierfür geeignete Vorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Druckverfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente, wie sie gattungsgemäß aus der EP 2 587 547 A1 bekannt sind.
In modernen 3D-Druckern zur Herstellung von verschiedensten Komponenten werden diese Komponenten oftmals durch ein Schreiben eines Laserstrahls in einem pulverförmigen oder flüssigen Schichtbildungsmaterial schichtweise zusammengesetzt, weshalb diese auch als Mehrschichtkomponenten (nachfolgend auch Werkstück) bezeichnet werden. Auf diese Weise lassen sich sehr einfach verschiedenste Strukturen, auch mit Hinterschneidungen, mit technisch einfachen und kostengünstigen Mitteln realisieren. Für die Herstellung von Komponenten für sicherheitsrelevante Anwendungen sind dabei sehr strenge Qualitätsstandards einzuhalten, die nachträgliche Prüfungen, z.B. auf das Vorliegen von Poren oder Fehldruckstellen, erfordern und sehr aufwändig und kostspielig sind.
Zugleich sind für die Durchführung einer solchen nachträglichen Qualitätskontrolle zusätzliche Einrichtungen, wie eine externe Kamera oder ein externer Scanner erforderlich, was zusätzlichen Bauraum erfordert. Hinterschneidungen am Werkstück können in der Regel mit einer Kamera nicht geprüft werden. Hierfür sind gegebenenfalls zusätzliche Mittel nötig, was wiederum die Kosten für die Kontrolle eines solchen Werkstückes erhöht. Selbst wenn das Werkstück vollständig durch eine Kamera überprüfbar ist, sind gegebenenfalls ermittelte Fehler aus wirtschaftlichen oder aus technischen Gründen oft nicht korrigierbar, weshalb sie als Ausschuss verloren gehen.
In der EP 0 781 989 A1 ist ein Verfahren offenbart, mit dem Risse und Spannungen in einem mehrschichtigen Material sichtbar gemacht werden können. Dazu wird während des Druckens des mehrschichtigen Materials eine Zwischenschicht mit Fluoreszenzfarbstoffen versehen, die dann später zur Sichtbarmachung von Rissen und Spannungen mit elektromagnetischer Strahlung zum Fluoreszieren angeregt werden. Indem die Risse und Spannungen optisch auf die Ausbreitung des Fluoreszenzlichtes Einfluss nehmen, lassen sich diese erkennen. Es handelt sich hier um eine der Herstellung nachgeschaltete Qualitätskontrolle, die nicht geeignet ist, das Verfahren des Druckens zu beeinflussen.
Aus der vorgenannten EP 2 587 547 A1 ist ein Verfahren zum Regeln des Druckes eines Mehrschichtaufbaus auf einem Substrat bekannt. Nach dem Drucken einer Schicht wird von dieser ein optisches Bild erfasst und abgespeichert. Beim Drucken der nachfolgenden Schicht werden dann die Informationen, die aus dem erfassten optischen Bild der vorherigen Schicht abgeleitet werden, verwendet, um die nachfolgende Schicht über dem Substrat auszurichten. Während der Herstellung des Mehrschichtaufbaus wird so die Lage der Schichten überwacht und geregelt. Die Verfahrensschritte Herstellung einer Schicht und Erfassen eines optischen Bildes der hergestellten Schicht werden im Wechsel durchgeführt. Die Qualität der einzelnen hergestellten Schichten, z.B. eine Überprüfung auf Poren oder Fehldruckstellen, erfolgt nicht. Die Erfassung und Auswertung eines optischen Bildes einer Schicht stellt zwar eine Qualitätskontrolle während des Verfahrens dar, es wird aber nur ein einziges Qualitätsmerkmal überprüft. Folglich kann auch nur aus dem einzigen Qualitätsmerkmal, nämlich der Lage der Schicht, bezogen auf ein Substrat als Basis, eine Regelgröße abgeleitet werden, um den Prozess zu regeln. Viele andere Qualitätsmerkmale des Werkstückes und alle Prozessparameter bleiben unbeachtet.
Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente zu finden, bei dem über eine Online-Prozesskontrolle für die Qualität der Mehrschichtkomponente relevante Zustandsparameter und / oder Prozessparameter ableitbar sind. Es besteht auch die Aufgabe, eine für das Verfahren geeignete Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird für ein Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente, bei dem Materialschichten mit einer Bearbeitungsstrahlung, die eine elektromagnetische Strahlung oder eine Teilchenstrahlung ist, entlang von Bearbeitungsorten schichtweise beaufschlagt werden, dadurch gelöst, dass von den Bearbeitungsorten kommende Strahlung empfangen wird, die empfangene Strahlung jeweils spektral in ein dem jeweiligen Bearbeitungsort zugeordnetes Spektrum zerlegt wird und die Spektren analysiert werden.
Vorteilhaft werden die Spektren jeweils mit einem Vergleichsspektrum verglichen und aus dem Vergleich wird wenigstens ein Zustandskriterium am Bearbeitungsort abgeleitet.
Das wenigstens eine Zustandskriterium ist bevorzugt ein Zustandsparameter der entstehenden Mehrschichtkomponente oder ein Prozessparameter am Bearbeitungsort. Es ist von Vorteil, wenn das Zustandskriterium die Elektronenstrahltemperatur ist.
Vorzugsweise werden die Spektren oder das jeweils wenigstens eine abgeleitete Zustandskriterium dem jeweiligen Bearbeitungsort zugeordnet in einem Qualitätspass für das hergestellte Werkstück abgespeichert.
Aus dem Zustandskriterium wird vorteilhaft eine Regelgröße für die Regelung eines Prozessparameters abgeleitet und das Druckverfahren wird über diese Regelgröße geregelt.
Es ist ferner von Vorteil, wenn nach dem Vergleich und der Feststellung einer außer Toleranz liegenden Abweichung des Zustandskriteriums für wenigstens einen Bearbeitungsort die hergestellte Schicht an dem wenigstens einen betreffenden Bearbeitungsort noch einmal mit der Bearbeitungsstrahlung beaufschlagt wird.
Bevorzugt werden während des Druckverfahrens Bilder von den Bearbeitungsorten erzeugt, die jeweils wenigstens einem Spektrum zugeordnet werden und über deren Bildinhalt die Spektren klassifiziert werden.
Vorteilhaft wird aus dem Bildinhalt abgeleitet, ob die entstehende Mehrschichtkomponente an dem zugeordneten Bearbeitungsort Qualitätsvorgaben entspricht, und das mindestens eine zugeordnete Spektrum wird gegebenenfalls als ein Vergleichsspektrum klassifiziert, womit während des Druckverfahrens die Vergleichsspektren angelernt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner für eine Vorrichtung zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente mit einer Strahlungsquelle, einem Träger, einer Bereitstellungseinrichtung zur schichtweisen Bereitstellung eines Schichtmaterials und einer Übertragungseinheit, die einen von der Strahlungsquelle ausgesandten Bearbeitungsstrahl scannend entlang von Bearbeitungsorten oberhalb des Trägers führt, wobei die Übertragungseinheit wenigstens einen Strahlteiler enthält, über den eine von den Bearbeitungsorten kommende Strahlung wenigstens teilweise aus der Übertragungseinheit ausgekoppelt wird, dadurch gelöst, dass ein dem wenigstens einen Strahlteiler nachgeordnetes Spektrometer zur Bildung von Spektren der ausgekoppelten Strahlung und eine Auswerte- und Speichereinheit vorhanden ist.
Es ist ferner von Vorteil, wenn eine Kamera mit einer parallel zum Träger ausgerichteten Objektebene vorhanden ist.
Vorzugsweise ist eine mit dem Spektrometer und der Kamera verbundene Lerneinheit vorhanden, in der die Spektren, die jeweils einem von der Kamera aufgenommenen Bild zugeordnet werden, in Abhängigkeit vom Bildinhalt klassifiziert werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich von einer von einem Bearbeitungsort empfangenen Strahlung, die eine spektrale Zusammensetzung (Spektrum) aufweist, Zustandskriterien am Bearbeitungsort ableiten lassen, die für die Qualität der Mehrschichtkomponente mitbestimmend sind.
Ein für die Qualität der herzustellenden Mehrschichtkomponente relevantes Zustandskriterium ist z.B. die Elektronentemperatur. Ist sie zu gering, wird zu wenig Energie absorbiert und das Schichtmaterial wird nicht aufgeschmolzen bzw. nicht gehärtet und es kommt zu einer schlechten Anbindung der Schichten untereinander. Ist die Elektronentemperatur zu hoch, wird das Material zu stark erhitzt und es kann zur Verdampfung und damit zu einem porösen Materialgefüge kommen. Die Ursache einer schwankenden Elektronentemperatur kann insbesondere in einer Schwankung der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle über die Dauer der Schichtbildung oder in der örtlichen Schwankung der Materialzusammensetzung über die Schichten liegen, die zu einer örtlichen Schwankung des Absorptionskoeffizienten führt. Unabhängig davon, ob die Schwankung an der örtlich unterschiedlichen Materialzusammensetzung oder einem schwankenden Energieeintrag liegt, kann durch eine Regelung der Strahlungsleistung der Energieeintrag beeinflusst werden, so dass die Elektronentemperatur innerhalb eines Sollbereiches liegt.
Um eine Regelgröße aus den einzelnen Spektren ableiten zu können, müssen diese mit vorgegebenen Spektren verglichen werden, die für den betreffenden Bearbeitungsort als ein Vergleichsspektrum gelten. Ein Vergleichsspektrum, das die Einhaltung der beabsichtigten Zustandskriterien (Sollkriterien) widerspiegelt, lässt sich z. B. als Mittelwert einer Vielzahl von Spektren ermitteln, die für Werkstücke gewonnen wurden, die als Gutteile geprüft wurden. Welches Spektrum als ein Vergleichsspektrum geeignet ist, kann vorteilhaft auch während des Verfahrens erlernt werden.
Bei der Durchführung des Druckverfahrens wird das jeweils einem Bearbeitungsort zugeordnete Spektrum mit wenigstens einem Vergleichsspektrum verglichen. Aus den sich dabei ergebenden Differenzen kann auf von Sollkriterien abweichende Zustandskriterien am Bearbeitungsort, wie z. B. die Elektronentemperatur, die Strahlungsleistung, das Vorhandensein von Verunreinigungen oder eine inhomogene Verteilung der Materialbestandteile im Material, geschlossen werden.
Die aus den Spektren ortsaufgelösten Informationen können für einen individuellen Qualitätspass für jedes hergestellte Werkstück abgespeichert werden.
Zum anderen können die Informationen zur ortsabhängigen Regelung des Energieeintrages verwendet werden. Dieser kann zeitabhängig z. B. über die Pulsdauer oder die Scangeschwindigkeit oder betragsabhängig z. B. über die Strahlungsleistung oder die Repetitionsrate geregelt werden.
Die Informationen können auch genutzt werden, um eine mangelhafte Schicht noch einmal ortspezifisch nachzuarbeiten, indem ausgewählte Bearbeitungsorte noch einmal mit der Bearbeitungsstrahlung beaufschlagt werden.
Nachfolgend sollen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen:

1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2a-2c ein erstes Ausführungsbeispiel für die Auswertung von drei Spektren für unterschiedliche Bearbeitungsorte an einem gleichen Werkstück und
3a-3c ein zweites Ausführungsbeispiel für die Auswertung von drei Spektren für unterschiedliche Bearbeitungsorte an einem gleichen Werkstück.

Die in 1 als Prinzipskizze dargestellte Vorrichtung enthält eine Strahlungsquelle 1, die einen Bearbeitungsstrahl, insbesondere einen Laserstrahl aussendet, einen Träger 2, auf dem eine Mehrschichtkomponente aufgebaut wird, eine Bereitstellungseinrichtung 10 zur schichtweisen Bereitstellung eines Schichtmaterials und eine Übertragungseinheit 3, die den Bearbeitungsstrahl scannend entlang von Bearbeitungsorten oberhalb des Trägers 2 auf das Schichtmaterial richtet.
Die Übertragungseinheit 3 kann, wie im Stand der Technik üblich, einen Scanner 8 und eine Fokussieroptik 9 aufweisen. Die Bereitstellungseinrichtung 10 kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, z. B. eine relativ zum Träger 2 bewegte Extruderdüse sein, über die pastöses Schichtmaterial in Strangform abgegeben wird. Alternativ kann die Bereitstellungseinrichtung 10 ein mit einem flüssigen oder pulverförmigen Schichtmaterial befüllter Behälter sein, wie in 1 dargestellt, der stufenweise relativ zum Träger 2 angehoben wird.
Um von den Bearbeitungsorten kommende Strahlung detektieren zu können, weist die Übertragungseinheit 3 wenigstens einen Strahlteiler 3.1 auf, über den diese Strahlung wenigstens teilweise aus der Übertragungseinheit 3 ausgekoppelt und auf ein nachgeordnetes Spektrometer 4 geführt wird.
Das Spektrometer 4 detektiert jeweils über eine Detektionszeit Strahlung und bildet für die detektierte Strahlung jeweils ein Spektrum, das jeweils einem Bearbeitungsort zugeordnet wird, der während der Detektionszeit mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt wurde. Unter einem Bearbeitungsort im Sinne dieser Beschreibung wird folglich ein Bereich auf einer Schicht verstanden, der während einer Detektionszeit eines Spektrometers 4 mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt wird.
Das Spektrometer 4 ist mit einer Auswerte- und Speichereinheit 5 verbunden. Dort können vorteilhaft, den Bearbeitungsorten zugeordnet, Vergleichsspektren abgelegt sein und abgelegt werden, anhand derer die Spektren ausgewertet werden.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine Regeleinrichtung 11 auf, die mit der Auswerte- und Speichereinheit 5 und einer Steuerung der Strahlungsquelle 1 verbunden ist. Die Regeleinrichtung 11 erhält eine aus den Spektren abgeleitete Regelgröße und regelt damit einen Parameter der Strahlungsquelle 1.
Auch ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung eine Kamera 6 mit einer parallel zum Träger 2 ausgerichteten Objektebene aufweist. Mit ihr werden Bilder von dem entstehenden Werkstück erzeugt, die jeweils wenigstens den temporären Bearbeitungsort abbilden.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Vorrichtung eine mit der Auswerte- und Speichereinheit 5 und der Kamera 6 verbundene Lerneinheit 7 aufweist. Diese ist so ausgelegt, dass die Spektren, die jeweils einem von der Kamera 6 aufgenommenen Bild zugeordnet werden, in Abhängigkeit vom Bildinhalt klassifiziert werden. Die Funktionsweise der Lerneinheit 7 wird genauer anhand der Verfahrensbeschreibung erläutert.
Die Mehrschichtkomponente wird gleich dem Stand der Technik durch einen schichtweisen Aufbau hergestellt, indem zur Bildung jeweils einer Schicht ein Bearbeitungsstrahl, die Schicht abtastend, geführt wird. Das kann gleich dem Stand der Technik erfolgen, indem der von einer Strahlungsquelle 1 kommende Bearbeitungsstrahl über einen Strahlteiler 3.1, z. B. einen teildurchlässigen Spiegel, auf einen Scanner 8 gelenkt wird. Der Scanner 8 führt den Bearbeitungsstrahl über das auf einem Träger 2 aufgetragene oder in einem Behälter befindliche Schichtmaterial in einem Abtastregime so, dass eine gewünschte Querschnittsfläche für die zu bildende Schicht einmal vollständig abgescannt wird.
Wie bereits erwähnt, kann das Schichtmaterial pulverförmig, flüssig oder pastös sein und wird entsprechend z. B. in einem Pulver- oder Fluidbett oder durch portionsweise Abgabe eines Extruders auf dem Träger 2 bereit gestellt. Durch lokales Aufschmelzen des pulverförmigen Schichtmaterials mittels des Bearbeitungsstrahls werden die Pulverkörner zu einem Bauteil verschmolzen. Pulver, welches nicht für den Bauteilaufbau mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt wurde, wird abschließend entfernt und kann für die Herstellung weiterer Bauteile wiederverwendet werden. Flüssiges Material, z. B. photopolymeres Material, wird mit ultravioletter Bearbeitungsstrahlung schichtweise ausgehärtet, indem z. B der Träger 2 schrittweise in einem Behälter abgesenkt wird.
Für ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren ist es grundsätzlich unerheblich, aus welchem Material die Schichten hergestellt werden, in welchem Aggregatzustand das Material verarbeitet wird und mit welcher Bearbeitungsstrahlung es beaufschlagt wird. Es ist allein von Bedeutung, dass die Schichtbildung durch Beaufschlagung mit einer Bearbeitungsstrahlung, die eine elektromagnetische Strahlung oder eine Teilchenstrahlung ist, erfolgt.
Erfindungsgemäß wird zeitgleich mit der Beaufschlagung der Materialschichten mit einer Bearbeitungsstrahlung schichtweise entlang von Bearbeitungsorten der Herstellungsprozess überwacht, indem jeweils von den Bearbeitungsorten kommende Strahlung empfangen wird, die empfangene Strahlung spektral in ein dem jeweiligen Bearbeitungsort zugeordnetes Spektrum zerlegt wird und die Spektren analysiert werden.
Zur Analyse der gebildeten Spektren werden diese mit wenigstens einem Vergleichsspektrum verglichen und aus dem Vergleich wird wenigstens ein Zustandskriterium am Bearbeitungsort abgeleitet.
Das wenigstens eine Zustandskriterium kann ein Zustandsparameter der Mehrschichtkomponente, wie die prozentuale Verteilung der Materialbestandteile oder die Materialdichte am Bearbeitungsort, oder ein Prozessparameter zum Zeitpunkt der Beaufschlagung des Bearbeitungsortes, wie die Elektronenstrahltemperatur oder die auftreffende Strahlungsintensität, sein.
Aus der Elektronenstrahltemperatur kann auf Schwankungen des Energieeintrages geschlossen werden. Diese Schwankungen können insbesondere in einer zeitlichen Schwankung der Strahlungsleistung oder einer örtlichen Schwankung der prozentualen Verteilung der Materialbestandteile begründet sein.
Die Auswertung der Spektren (Verteilung der Intensität I über die Wellenlänge X) wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.
In den 2a-2c sind drei Spektren für unterschiedliche Bearbeitungsorte an einem gleichen Werkstück dargestellt. Ein aus den Spektren abgeleitetes Zustandskriterium ist hier die Elektronenstrahltemperatur.
Bei einer vorausgesetzten konstanten Laserleistung (diese kann auch auf herkömmliche Weise geregelt werden), bei der ein Anteil des Bearbeitungsstrahls unmittelbar auf einen Detektor geleitet wird, lässt sich aus dem unterschiedlich ausgeprägten UV-Anteil des Spektrums auf eine unterschiedlich starke Absorption des Bearbeitungsstrahles am zugeordneten Bearbeitungsort schließen. Zur Plausibilitätsprüfung kann die Intensität der Spektralanteile reflektierter Anteile des Bearbeitungsstrahles analysiert werden, die hier als eine Amplitude im IR-Bereich dargestellt wurden.
Das in 2a dargestellte Spektrum weist im Vergleich zu den in 2b und 2c dargestellten Spektren einen sehr ausgeprägten UV-Anteil mit hohen Amplituden und im IR-Bereich eine vergleichsweise geringe Amplitude auf. Die Elektronenstrahltemperatur, die für die Ausprägung der UV-Anteile bestimmend ist, ist sehr hoch, das heißt die Absorption am Bearbeitungsort ist hoch und das Schichtmaterial ist sehr stark erhitzt. Im Vergleich mit einem Vergleichsspektrum ergibt sich, dass die Amplituden im UV-Bereich deutlich höher sind, was dafür spricht, dass das Material zu stark erhitzt wurde, sodass es teilweise verdampft und das Gefüge des Schichtmaterial porös wird oder Fehlstellen entstehen.
Das in 2c dargestellte Spektrum weist hingegen ein nur sehr schwach ausgeprägtes UV-Spektrum auf, woraus sich auf eine nur geringe Elektronenstrahltemperatur und damit geringe Absorption schließen lässt. Das Schichtmaterial wird nicht aufgeschmolzen bzw. ausgehärtet, wodurch eine schlechte Schichtanbindung der übereinander gebildeten Materialschichten entsteht.
Das in 2b dargestellte Spektrum entspricht einem Vergleichsspektrum, bei dem die Elektronenstrahltemperatur optimal und somit die Absorption optimal ist, so dass das Schichtmaterial ideal aufgeschmolzen wird und eine gute Schichtanbindung und ein dichtes Gefüge entstehen.
Grundsätzlich lässt sich aus diesen Spektren, in denen eine spektrale Verteilung im VIS-Bereich nicht erkennbar ist, nur schwer ableiten, ob die unterschiedliche Elektronenstrahltemperatur auf eine Schwankung der Strahlungsparameter, insbesondere der Strahlungsleistung, und / oder auf einen örtlich schwankenden Absorptionskoeffizienten des Schichtmaterials zurückzuführen ist. Für die Entscheidung, ob das Werkstück letztendlich als Gutteil bestimmungsgemäß verwendbar ist, ist jedoch nur von Bedeutung, ob die Spektren mit wenigstens einem Vergleichsspektrum übereinstimmen bzw. ob die Abweichungen hiervon innerhalb einer vorgegebenen Toleranzbreite liegen. Ist das nicht der Fall, so kann das Werkstück nicht als Gutteil bestätigt werden, sofern die Analyse der Spektren nur der Prozessüberwachung und nicht der Prozessregelung dienen.
Die Spektren oder das jeweils wenigstens eine abgeleitete Zustandskriterium, hier die Elektronenstrahltemperatur, werden dann dem jeweiligen Bearbeitungsort zugeordnet und im Vergleich mit wenigstens einem Vergleichsspektrum analysiert. Das Vergleichsergebnis wird vorteilhaft in einem Qualitätspass für das hergestellte Werkstück abgespeichert.
Vorteilhaft wird aus dem Vergleich des wenigstens einen Zustandskriteriums, in diesem Beispiel der Elektronenstrahltemperatur, eine Regelgröße zur Regelung eines Prozessparameters abgeleitet und das Druckverfahren wird über diese Regelgröße geregelt. Konkret kann das z. B. heißen, dass bei erhöhter Elektronenstrahltemperatur, entsprechend 2a, die Laserleitung nach unten und bei zu geringer Elektronenstrahltemperatur, entsprechend 2c, die Laserleitung nach oben geregelt wird.
Auch kann vorteilhaft, insbesondere wenn im Ergebnis der Analyse der Spektren die Prozessparameter nicht beeinflusst werden, nach dem Vergleich mit einem Soll-Spektrum und der Feststellung einer außer Toleranz liegenden Abweichung für wenigstens einen Bearbeitungsort die hergestellte Schicht an dem wenigstens einen betreffenden Bearbeitungsort noch einmal mit der Bearbeitungsstrahlung beaufschlagt werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die Auswertung der Spektren wird nachfolgend an 3a - 3c erläutert. Ein aus den Spektren abgeleitetes Zustandskriterium ist hier das Mischungsverhältnis der Bestandteile des Schichtmaterials.
Die hier schematisch dargestellten Spektren geben ein unterschiedliches Verhältnis der Materialzusammensetzung des Schichtmaterials an unterschiedlichen Bearbeitungsorten wieder, das auf eine nicht homogene Mischung zurückzuführen ist.
Das in 3a dargestellte Spektrum soll hier ein Vergleichsspektrum sein, das durch das Verhältnis von 75 % Kupfer, 20 % Zink und 5 % Nickel zustande kommt.
Die Abweichungen des in 3b gezeigten Spektrums von dem Spektrum gemäß 3a weisen auf eine nicht homogene Legierung am relevanten Bearbeitungsort hin, die z. B. 60 % Kupfer, 35 % Zink und 5 % Nickel enthält.
Aus dem in 3c angegebenen Spektrum lässt sich ableiten, dass die Legierung kein Zink, sondern 95 % Kupfer und 5 % Nickel enthält. Im Umkehrschluss lässt sich über die Analyse der Spektren feststellen, wenn sich Verunreinigungen im Schichtmaterial befinden.
Vorteilhaft wird neben der ortsaufgelösten Bildung und Analyse von Spektren die entstehende Mehrschichtkomponente während des Druckverfahrens mit einer Kamera 6 optisch abgebildet. Aus dem Bildinhalt der dabei entstehenden Bilder können Fehlstellen, poröse Bereiche oder geometrische Abweichungen der Schichten von einer Soll-Geometrie festgestellt werden. Die Bilder werden Bearbeitungsorten und jeweils wenigstens einem Spektrum zugeordnet.
Indem aus dem Bildinhalt abgeleitet wird, ob die entstehende Mehrschichtkomponente an dem zugeordneten Bearbeitungsort Qualitätsvorgaben entspricht, kann das mindestens eine zugeordnete Spektrum gegebenenfalls als ein Vergleichsspektrum klassifiziert werden. Damit ist es möglich, dass während des Druckverfahrens die Vergleichsspektren angelernt werden.
Bezugszeichenliste

1: Strahlungsquelle
2: Träger
3: Übertragungseinheit
3.1: Strahlteiler
4: Spektrometer
5: Auswerte- und Speichereinheit
6: Kamera
7: Lerneinheit
8: Scanner
9: Fokussieroptik
10: Bereitstellungseinrichtung
11: Regeleinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2587547 A1 [0001, 0005]
EP 0781989 A1 [0004]

Claims

Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente, bei dem Materialschichten mit einer Bearbeitungsstrahlung, die eine elektromagnetische Strahlung oder eine Teilchenstrahlung ist, entlang von Bearbeitungsorten schichtweise beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass von den Bearbeitungsorten kommende Strahlung empfangen wird, die empfangene Strahlung jeweils spektral in ein dem jeweiligen Bearbeitungsort zugeordnetes Spektrum zerlegt wird und die Spektren analysiert werden.
Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektren jeweils mit einem Vergleichsspektrum verglichen werden und aus dem Vergleich wenigstens ein Zustandskriterium am Bearbeitungsort abgeleitet wird.
Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zustandskriterium ein Zustandsparameter der entstehenden Mehrschichtkomponente oder ein Prozessparameter am Bearbeitungsort ist.
Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zustandskriterium die Elektronenstrahltemperatur ist.
Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektren oder das jeweils wenigstens eine abgeleitete Zustandskriterium dem jeweiligen Bearbeitungsort zugeordnet in einem Qualitätspass für das hergestellte Werkstück abgespeichert werden.
Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Zustandskriterium eine Regelgröße für die Regelung eines Prozessparameters abgeleitet wird und das Druckverfahren über diese Regelgröße geregelt wird.
Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Vergleich und der Feststellung einer außer Toleranz liegenden Abweichung des Zustandskriteriums für wenigstens einen Bearbeitungsort die hergestellte Schicht an dem wenigstens einen betreffenden Bearbeitungsort noch einmal mit der Bearbeitungsstrahlung beaufschlagt wird.
Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Druckverfahrens Bilder von den Bearbeitungsorten erzeugt werden, die jeweils wenigstens einem Spektrum zugeordnet werden und über deren Bildinhalt die Spektren klassifiziert werden.
Druckverfahren zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Bildinhalt abgeleitet wird, ob die entstehende Mehrschichtkomponente an dem zugeordneten Bearbeitungsort Qualitätsvorgaben entspricht, und das mindestens eine zugeordnete Spektrum gegebenenfalls als ein Vergleichsspektrum klassifiziert wird, womit während des Druckverfahrens die Vergleichsspektren angelernt werden.
Vorrichtung zum Herstellen einer Mehrschichtkomponente mit einer Strahlungsquelle (1), einem Träger (2), einer Bereitstellungseinrichtung (10) zur schichtweisen Bereitstellung eines Schichtmaterials und einer Übertragungseinheit (3), die einen von der Strahlungsquelle (1) ausgesandten Bearbeitungsstrahl scannend entlang von Bearbeitungsorten oberhalb des Trägers (2) führt, wobei die Übertragungseinheit (3) wenigstens einen Strahlteiler (3.1) enthält, über den eine von den Bearbeitungsorten kommende Strahlung wenigstens teilweise aus der Übertragungseinheit (3) ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem wenigstens einen Strahlteiler (3.1) nachgeordnetes Spektrometer (4) zur Bildung von Spektren der ausgekoppelten Strahlung und eine Auswerte- und Speichereinheit (5) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera (6) mit einer parallel zum Träger (2) ausgerichteten Objektebene vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Spektrometer (4) und der Kamera (6) verbundene Lerneinheit (7) vorhanden ist, in der die Spektren, die jeweils einem von der Kamera (6) aufgenommenen Bild zugeordnet werden, in Abhängigkeit vom Bildinhalt klassifiziert werden.