DE102020200599A1

DE102020200599A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steigerung der Fertigungsgenauigkeit beim pulverbettbasierten Strahlschmelzen mit einem verfahrbaren Bearbeitungskopf

Info

Publication number: DE102020200599A1
Application number: DE102020200599.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Tenbrock; Felix Gabriel Fischer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Zur Steigerung der Fertigungsgenauigkeit beim pulverbettbasierten Strahlschmelzen mit einem entlang wenigstens einer Linearachse verfahrbaren Bearbeitungskopf mit wenigstens einer dynamischen Ablenkeinrichtung wird während des Aufbauprozesses ein oder mehrmals in mehreren über den Bearbeitungsbereich verteilten Teilbereichen jeweils mittels der Ablenkeinrichtung ein Raster aus Markierungen erzeugt. Die Markierungen werden mit einer am Bearbeitungskopf angebrachten Kamera erfasst und aus einem Vergleich mit Soll-positionen für jeden der Teilbereiche individuelle Korrekturdaten für die dynamische Ablenkeinrichtung erzeugt oder angepasst, die im weiteren Verlauf des Aufbauprozesses für die Ansteuerung der dynamischen Ablenkeinrichtung verwendet werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren die Genauigkeit bei der generativen Fertigung von Bauteilen und damit auch die Bauteilqualität erhöht.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steigerung der Fertigungsgenauigkeit beim pulverbettbasierten Strahlschmelzen mit einem entlang wenigstens einer Linearachse über einen Bearbeitungsbereich verfahrbaren Bearbeitungskopf, der wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung zur Führung wenigstens eines energetischen Strahls, insbesondere eines Laserstrahls, über einen Teilbereich des Bearbeitungsbereiches aufweist.
Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen, auch unter dem englischen Begriff Laser Powder Bed Fusion (LPBF) bekannt, ist ein Verfahren zur generativen schichtweisen Fertigung von üblicherweise metallischen Bauteilen aus einem Pulverbett mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen, wie es beispielsweise in der DE 196 49 865 C1 oder der EP 1 839 781 A2 beschrieben ist. Bei diesem generativen Fertigungsverfahren werden nacheinander Schichten eines pulverförmigen Aufbaumaterials über einer Bauplattform aufgebracht und jeweils entsprechend der Geometrie des zu fertigenden Bauteils oder der zu fertigenden Bauteile mit einem oder mehreren Laserstrahlen lokal aufgeschmolzen und verfestigt. Das Aufbringen der einzelnen Pulverschichten erfolgt mit einer Beschichtungseinrichtung, die das Pulver aus einem Pulverreservoir über dem Bearbeitungsbereich verteilt und entsprechend nivelliert. Hierzu weist die Beschichtungseinrichtung ein sich über die Breite des Bearbeitungsbereiches erstreckendes Nivellierelement bspw. in Form einer Lippe oder Bürste auf, das beim Pulverauftrag über den Bearbeitungsbereich bewegt wird. Nach der Bearbeitung einer Schicht wird die Bauplattform entsprechend abgesenkt und die nächste Pulverschicht aufgetragen. Die Führung des einen oder der mehreren Laserstrahlen erfolgt über einen oder mehrere dynamische Ablenkeinrichtungen, in der Regel Galvanometerscanner. Der Abtastbereich dieser Scanner ist begrenzt, so dass eine Bearbeitung über einen Bearbeitungsbereich von ca. 500 x 500 mm hinaus mit einer derartigen Ablenkeinrichtung nicht möglich ist. Zur Umgehung dieser Restriktion ist es beispielsweise aus der US 2018/0221954 A1 bekannt, einen über den Bearbeitungsbereich verfahrbaren Bearbeitungskopf einzusetzen, der einen oder mehrere dynamische Ablenkeinrichtungen trägt. Der Bearbeitungskopf wird mit Hilfe einer oder mehrerer Linearachsen über den Bearbeitungsbereich verfahren. Die Ablenkung des einen oder der mehreren Laserstrahlen erfolgt dabei weiterhin über die dynamische Ablenkeinrichtung, die starr mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist.
Zur Herstellung eines oder mehrerer Bauteile mit einer derartigen Vorrichtung der generativen Fertigung ist es erforderlich, unabhängig von der aktuellen Position des Bearbeitungskopfes Konturen und Muster im Pulverbett möglichst präzise belichten zu können. Eine Abweichung der jeweils belichteten Position von einer Sollposition sollte dabei möglichst weniger als 20 µm betragen.
Positionsungenauigkeiten bei der Bearbeitung ergeben sich zum einen durch eine unzureichende Nivellierung der jeweils aufgetragenen Pulverschicht und zum anderen durch die systembedingte Bildfeldwölbung der dynamischen Ablenkeinrichtung oder durch rotatorische Positionierabweichungen der dynamischen Ablenkeinrichtung. Eine ungenügende Nivellierung der Pulverschicht führt zu einer Variation des senkrechten Abstandes des Bearbeitungskopfes und damit der dynamischen Ablenkeinrichtung vom jeweils zu belichtenden Punkt in der Pulverschicht. 1 veranschaulicht diesen Effekt. In dieser Figur ist schematisch ein Bearbeitungskopf mit einer dynamischen Ablenkeinrichtung 1, bspw. einem Galvanometerscanner, an zwei unterschiedlichen Positionen dargestellt, zwischen denen der Bearbeitungskopf in Pfeilrichtung 7 verfahren wurde. Von beiden Positionen soll mit der dynamischen Ablenkeinrichtung 1 ein schematisch dargestellter Laserstrahl auf einen Punkt 2 an der Oberfläche der Pulverschicht fokussiert werden. Eine Abweichung zwischen der Sollpulverlage 3 und der tatsächlichen Pulveroberfläche 4 führt zur Wahl einer falschen rotatorischen Auslenkung 5 der dynamischen Ablenkeinrichtung 1 und somit zu einer lateralen Abweichung 6 zwischen den an der Pulveroberfläche belichteten Punkten. Dabei kann es sich sowohl um unterschiedliche dynamische Ablenkeinrichtungen, die im selben Bearbeitungskopf verbaut sind, als auch - wie im vorliegenden Beispiel - um eine einzelne Ablenkeinrichtung handeln, die in Folge der Bewegung des Bearbeitungskopfes aus unterschiedlichen Positionen belichtet.
Eine unzureichende Nivellierung der Pulverschicht kann unterschiedliche Ursachen haben. Die Pulverschicht wird in der Regel mit einem mechanischen Nivellierelement, bspw. einer Lippe, Klinge oder einer Bürste, geglättet. Die Lage dieses Elementes definiert somit die Lage der Oberfläche der Pulverschicht. Die Beschichtungseinrichtung mit diesem Nivellierelement muss zunächst parallel zum Achssystem des Bearbeitungskopfes ausgerichtet werden. Die Ausrichtung kann durch die Justierung von Stellschrauben zur Einstellung des Spaltes zwischen Beschichtungseinrichtung bzw. Nivellierelement und Bauplattform oder darauf angebrachter Substratplatte erfolgen. Durch diese Methode wird jedoch keine Parallelität der Beschichtungseinrichtung und somit der Oberfläche der Pulverschicht zu den Achsen erzeugt, sondern lediglich zur Bauplattform oder Substratplatte. Weiterhin ist die erreichbare Genauigkeit durch die Messmethodik limitiert. Eine weitere Ursache für eine unzureichende Nivellierung kann in übermäßigen Unebenheiten am mechanischen Glättungs- oder Nivellierelement der Beschichtungseinrichtung liegen, die Werte von > 100 µm annehmen können und zu einem variablen Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Oberfläche der Pulverschicht führen. Zumeist wird dieselbe Beschichtungseinrichtung für viele aufeinanderfolgende Fertigungsprozesse eingesetzt. Neben dieser unzureichenden Nivellierung können auch Achsfehler, wie z.B. Nicken oder Rollen des Linearachsensystems des Bearbeitungskopfes, zu einem variierenden Abstand des Bearbeitungskopfes zur Oberfläche der Pulverschicht führen.
Die systembedingte Bildfeldwölbung der dynamischen Ablenkeinrichtung wird üblicherweise durch Nutzung einer Korrekturdatei ausgeglichen. Diese beinhaltet notwendige Transformationen, die für jede Soll-Position der Ablenkeinrichtung bei deren Ansteuerung anzuwenden sind, um die typische Kissenform eines unkalibrierten Scanfeldes einer derartigen dynamischen Ablenkeinrichtung auszugleichen. Zur Erstellung der Korrekturdatei wird bisher zunächst mit der Ablenkeinrichtung durch Laserbearbeitung ein Kalibrierungsmuster, bspw. ein Raster aus Kreisen oder Kreuzen, auf einem eloxierten Blech oder einer ähnlichen Unterlage erzeugt bzw. eingebrannt, die im Bearbeitungsbereich platziert wurde. Dieses Blech wird dann aus dem Bearbeitungsbereich entnommen und das Kalibrierungsmuster wird vermessen. Dies kann mit Hilfe eines Flachbettscanners oder einer mit einem Koordinatenmesssystem verbundenen Kamera erfolgen. Die Differenz aus den jeweiligen Soll- und Ist-Positionen wird ermittelt, um daraus die Korrekturdatei zu erstellen. Die DE 44 37 284 A1 beschreibt ein derartiges Verfahren, bei dem die Erzeugung des Kalibrierungsmusters auf einem Thermo- oder Fotopapier erfolgt, das auf einen ebenen Träger aufgebracht ist. Diese Vorgehensweise ist in vielen Fällen jedoch fehlerbehaftet, da die jeweilige Unterlage für das Kalibrierungsmuster die tatsächliche Bearbeitungsebene nur bedingt repräsentiert. Eine Schiefstellung der Unterlage relativ zur tatsächlichen Bearbeitungsebene oder eine Wölbung durch die Erzeugung des Kalibrierungsmusters können signifikante laterale Abweichungen hervorrufen.
Als derartiger Ungenauigkeiten bei der Erstellung der Korrekturdatei kann das Belichtungsfeld 22 bei der späteren Bearbeitung der Pulverschicht nicht die erwartete rechteckige Geometrie 24 aufweisen, wie dies schematisch in 2 dargestellt ist. Es entstehen dann lokale Abweichungen, durch die nicht der erwartete Punkt belichtet wird. Die absolute Abweichung steigt mit der absoluten Distanz zum Mittelpunkt 23 der (erwarteten) Geometrie 24 des Scan- bzw. Belichtungsfeldes. Dies ist insbesondere im Übergangsbereich zwischen benachbarten Scanfeldern, d. h. Teilbereichen, die aus unterschiedlichen Positionen belichtet werden können, relevant und führt zu Ungenauigkeiten in den hergestellten Bauteilen. So können daraus geometrische Abweichungen im finalen Bauteil resultieren, bspw. in Form von Kanten 26 im Übergangsbereich 25 zwischen verschiedenen Bearbeitungskopfpositionen. Weiterhin können im Übergangsbereich durch ungleichmäßige Energieeinbringung Poren entstehen, die im weiteren Aufbauprozess zum Ablösen des Bauteils führen und/oder im finalen Bauteil eine Kerbwirkung haben und dessen mechanische Eigenschaften verschlechtern. Auch Anwendungsfehler können dadurch im Übergangsbereich 25 entstehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung bereitzustellen, mit denen beim pulverbettbasierten Strahlschmelzen mit verfahrbarem Bearbeitungskopf die Fertigungsgenauigkeit und damit auch die Bauteilqualität gesteigert werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt ein oder mehrmals während eines Aufbauprozesses zum schichtweisen Aufbau eines oder mehrerer Bauteile aus dem pulverförmigen Aufbaumaterial eine Kalibrierung der dynamischen Ablenkeinrichtung(en) des Bearbeitungskopfes in Abhängigkeit von der Position des Bearbeitungskopfes. Hierzu wird nach dem Auftrag einer neuen Pulverschicht oder nach dem erfolgten Belichten einer Schicht in mehreren über den Bearbeitungsbereich verteilten Teilbereichen mit der zu kalibrierenden dynamischen Ablenkeinrichtung jeweils ein Raster aus Markierungen durch lokales Aufschmelzen der Pulverschicht oder des Bauteils mit dem energetischen Strahl erzeugt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird hierbei jeweils ein Raster aus mehreren Gruppen von Markierungen erzeugt. Jede Gruppe wird dabei aus wenigstens zwei Markierungen gebildet, die bei unterschiedlichen Positionen des Bearbeitungskopfes erzeugt werden und einen geringeren Abstand zueinander als zu Markierungen der anderen Gruppen aufweisen. Vorzugsweise weisen die wenigstens zwei Markierungen einen so geringen Abstand zueinander auf, dass sie gleichzeitig mit einer am Bearbeitungskopf angebrachten Kamera erfassbar sind. Ein größerer Abstand der Markierungen zueinander ist möglich, aber erhöht die Komplexität der Bildverarbeitung. In diesem Fall müssen dann mehrere Bilder gemacht und kombiniert werden („stitchen“). Als Markierungen können bei dem vorgeschlagenen Verfahren bspw. Kreise, Ringe oder Kreuze in der Pulverschicht oder dem Bauteil erzeugt werden. Jede Markierung oder jede Gruppe von Markierungen wird anschließend mit der am Bearbeitungskopf angebrachten Kamera erfasst. Der Bearbeitungskopf kann hierzu auch mehrere Kameras aufweisen. Die Position der Markierungen in den mit der Kamera erfassten Bildern wird unter Berücksichtigung der jeweils bekannten Position des Bearbeitungskopfes bei der Aufnahme der Bilder ausgewertet und aus einem Vergleich der erfassten Ist-Positionen der Markierungen mit Soll-Positionen werden für jeden der Teilbereiche individuelle bzw. separate Korrekturdaten, insbesondere in Form einer Korrekturdatei oder als Korrekturfaktoren, für die Führung des wenigstens einen energetischen Strahls durch die dynamische Ablenkeinrichtung erzeugt oder - falls bereits aus einer vorangehenden Messung vorhanden - angepasst. Die damit erhaltenen individuellen Korrekturdaten für die unterschiedlichen Teilbereiche oder auch eine daraus gebildete Korrekturmatrix für den gesamten Bearbeitungsbereich werden dann im weiteren Verlauf des Aufbauprozesses für die Ansteuerung der dynamischen Ablenkeinrichtung verwendet.
Als energetischer Strahl wird beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise ein Laserstrahl eingesetzt. Im Folgenden werden das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung daher anhand eines Laserstrahls als energetischer Strahl erläutert. Es lassen sich jedoch anstelle des Laserstrahls auch andere für das pulverbettbasierte Strahlschmelzen geeignete energetische Strahlen einsetzen, wie beispielsweise Elektronen- oder Ionenstrahlen, für die die nachfolgenden Ausführungen in gleicher Weise gelten.
Für die Auswertung der erfassten Kamerabilder wird vorzugsweise ein Algorithmus eingesetzt, der die Markierungen im jeweiligen Bild erkennen und lokalisieren kann. Dieser Algorithmus erzeugt dann auch die entsprechenden Korrekturdaten. Für Teilbereiche des Bearbeitungsbereiches, die zwischen den bei der Kalibrierung gewählten Teilbereichen liegen, wird während des Aufbauprozesses eine Interpolation zwischen den Korrekturdaten der jeweils umliegenden, für die Kalibrierung genutzten Teilbereiche durchgeführt. Beispiele für eine derartige Interpolation können dem Ausführungsbeispiel entnommen werden. Vorzugsweise werden die Teilbereiche für die Kalibrierung so gewählt, dass sie zusammen den gesamten Bearbeitungsbereich (lückenlos) überdecken. Sie können dabei aneinander grenzen oder auch überlappen.
Durch die Kalibrierung der dynamischen Ablenkeinrichtung während des Aufbauprozesses werden die bei der bisherigen Vorgehensweise mit einer separaten Unterlage wie bspw. einem eloxierten Blech auftretenden Ungenauigkeiten vermieden und damit eine Steigerung der Fertigungsgenauigkeit und Bauteilqualität erreicht. Das Verfahren lässt sich während des Aufbauprozesses automatisiert durchführen und erfordert keinen manuellen Eingriff.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird zusätzlich vor Beginn des Aufbauprozesses mit der Beschichtungseinrichtung eine Pulverschicht im Bearbeitungsbereich aufgebracht und mit einem oder mehreren am Bearbeitungskopf angebrachten Abstandssensoren an mehreren Stellen des Bearbeitungsbereiches ein Abstand des Bearbeitungskopfes zur Oberfläche der Pulverschicht gemessen. Unter dem Abstand des Bearbeitungskopfes zur Oberfläche der Pulverschicht ist hierbei ein Abstand eines geeigneten Referenzpunktes am Bearbeitungskopf zur Oberfläche der Pulverschicht zu verstehen, bspw. eines Punktes an der Unterseite des Bearbeitungskopfes. Bei einer Variation des Abstandes über den Bearbeitungsbereich, die einen vorgebbaren Schwellwert übersteigt, wird entweder die für den Schichtauftrag und die Nivellierung der Schicht genutzte Beschichtungseinrichtung auf Basis der gemessenen Abstände geeignet nachjustiert oder die Variation des Abstandes gespeichert und für eine Korrektur der Führung des wenigstens einen Laserstrahls durch die dynamische(n) Ablenkeinrichtung(en) im weiteren Verlauf des Aufbauprozesses herangezogen. Im letztgenannten Fall werden können hierzu auch die bei der oben beschriebenen Kalibrierung der dynamischen Ablenkeinrichtung(en) erzeugten individuellen Korrekturdaten entsprechend angepasst werden. Auf diese Weise werden zusätzlich Ungenauigkeiten bei der Nivellierung weitestgehend ausgeglichen, so dass hierdurch die Fertigungsgenauigkeit und damit Bauteilqualität weiter gesteigert wird.
Die Vermessung des Abstandes des Bearbeitungskopfes zur Oberfläche der Pulverschicht kann auch während des Aufbauprozesses, bspw. jeweils vor Durchführung der Kalibrierung der Ablenkeinrichtung(en), erneut erfolgen, so dass dann entsprechende Abweichungen von der ursprünglichen Messung bzw. vom ursprünglichen Abstandsprofil in die entsprechenden Korrekturdaten einfließen können.
Die Beschichtungseinrichtung weist in der Regel ein sich über die Breite des Bearbeitungsbereiches erstreckendes mechanisches Nivellierelement, bspw. eine Nivellierlippe, auf. Die Vermessung des Abstandes des Bearbeitungskopfes zur Oberfläche der Pulverschicht erfolgt dann vorzugsweise an wenigstens einer Längsposition über die gesamte Breite des Bearbeitungsbereiches, d.h. an mehreren über die gesamte Breite verteilten Stellen, um dadurch eine eventuelle Fehljustage der Beschichtungseinrichtung bzw. des Nivellierelementes erkennen zu können. Vorzugsweise erfolgt diese Messung jeweils durch Verfahren des Bearbeitungskopfes über die Breite nicht nur an einer sondern an mehreren Längspositionen des Bearbeitungsbereiches. Die Begriffe der Breite und der Länge des Bearbeitungsbereiches sind hierbei lediglich zur Unterscheidung zwischen der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinrichtung (in Längsrichtung des Bearbeitungsbereiches) und der Erstreckung des Nivellierelementes (über die Breite des Bearbeitungsbereiches) zu verstehen. Der Bearbeitungsbereich kann daher eine identische Breite und Länge aufweisen, die Breite kann größer als die Länge sein oder die Länge größer als die Breite.
Die vorgeschlagene Vorrichtung weist entsprechend einen entlang wenigstens einer Linearachse über einen Bearbeitungsbereich verfahrbaren Bearbeitungskopf auf, der wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung zur Führung wenigstens eines energetischen Strahls über einen Teilbereich des Bearbeitungsbereiches aufweist. Der energetische Strahl kann hierbei entweder in den Bearbeitungskopf eingekoppelt oder über eine Strahlquelle im Bearbeitungskopf erzeugt werden. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Beschichtungseinrichtung auf, die sich über eine Breite des Bearbeitungsbereiches erstreckt und mit der durch Bewegung der Beschichtungseinrichtung über eine Länge des Bearbeitungsbereiches Pulverschichten eines Aufbaumaterials im Bearbeitungsbereich aufgetragen und nivelliert werden können. Am Bearbeitungskopf sind ein oder mehrere Abstandssensoren angeordnet, über die ein Abstand des Bearbeitungskopfes zu einer Oberfläche einer im Bearbeitungsbereich aufgetragenen Pulverschicht gemessen werden kann. Weiterhin weist der Bearbeitungskopf wenigstens eine Kamera auf, mit der Bilder von Bereichen der Oberfläche der aufgetragenen Pulverschicht aufgezeichnet werden können. Die Ansteuerung des Bearbeitungskopfes sowie der Beschichtungseinrichtung erfolgt über eine Steuereinrichtung, der die Daten zur Prozessführung beim Aufbau eines oder mehrerer Bauteile zugeführt werden. Die Steuereinrichtung enthält dabei in üblicher Weise NC-Programme zum automatisierten Verfahren der Achsen und Durchführung der Messungen. Die Steuereinrichtung steuert hierbei insbesondere die Linearachsen, die dynamische(n) Ablenkeinrichtung(en), die Beschichtungseinrichtung sowie den oder die für den Prozess eingesetzten Laser an. Weiterhin ist die Steuereinrichtung so ausgebildet, dass sie zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens in einer oder mehreren Ausgestaltungen auch die ein oder mehreren Abstandssensoren und die wenigstens eine Kamera ansteuert, die mit dem oder den Abstandssensoren und der Kamera erfassten Daten auswertet und entsprechende Korrekturdaten erzeugt, auf die dann bei der Ansteuerung der dynamischen Ablenkeinrichtung(en) zurückgegriffen wird.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der dafür ausgebildeten Vorrichtung erfolgt eine Vermessung und Korrektur der Positioniergenauigkeiten des Strahl-Scanner-Systems, d. h. des Bearbeitungskopfes und der oder den darin angeordneten dynamischen Ablenkeinrichtung(en), in der für den Aufbauprozess relevanten Ebene (Pulverbett) anstelle der Verwendung einer mit Abweichungen behafteten Referenzebene, wie bspw. einem eloxierten Blech beim Stand der Technik. Die Messung der Positioniergenauigkeiten kann im zeitlichen Verlauf eines Aufbauprozesses auch mehrmals erfolgen, um dadurch veränderliche Abweichungen, wie bspw. thermisch bedingte Effekte, zu erfassen und zu korrigieren. Die Anwendung des Verfahrens führt zu einer verbesserten Bauteilqualität im Übergangsbereich zwischen einzelnen Scanfeldern bzw. Teilbereichen. Dadurch werden auch Rissbildungen während des Aufbauprozesses eines oder mehrerer Bauteile, Anbindungsfehler oder Poren sowie geometrische Abweichungen oder unerwünschte Kanten vermieden. Das Verfahren kann auch vollständig automatisiert durchgeführt werden.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher beschrieben. Hierbei zeigen:

1 eine Darstellung der Fokussierung eines Laserstrahls auf einen zu belichtenden Punkt von zwei unterschiedlichen Positionen bei einer unebenen Pulverschicht;
2 eine Darstellung einer unerwünschten Abweichung des tatsächlichen Scanfeldes vom gewünschten Scanfeld;
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der Beschichtungseinrichtung bei der vorgeschlagenen Vorrichtung; und
5 eine schematische Darstellung der Erzeugung von Kalibriermustern in einer beispielhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Probleme hinsichtlich der Nivellierung der Pulverschichten sowie der Kalibrierung der dynamischen Ablenkeinrichtung(en) bei der Fertigung von Bauteilen mit einem über den Bearbeitungsbereich verfahrbaren Bearbeitungskopf wurden bereits in der Beschreibungseinleitung im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläutert. 3 zeigt nun beispielhaft eine Vorrichtung, wie sie zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens eingesetzt werden kann. Der Bearbeitungskopf 11 wird in diesem Beispiel über zwei orthogonale Linearachsen 12, 27 über den Bearbeitungsbereich, d. h. das Pulverbett 10 bzw. die zuletzt aufgebrachte Pulverschicht, verfahren. Der Bearbeitungskopf ist mit mindestens einer Laserstrahlquelle verbunden, deren Laserstrahl 14 im vorliegenden Beispiel über zwei starr am Bearbeitungskopf 11 angebrachte Galvanometerscanner 13 individuell ausgelenkt und über einen Teilbereich des Bearbeitungsbereiches geführt werden kann. Im Folgenden wird die Achse 27, an der der Bearbeitungskopf 11 befestigt ist, als x-Achse und die außerhalb des Bearbeitungsbereiches liegenden Achsen 12 werden als y-Achsen bezeichnet. Die Ausrichtung der Achsen der Galvanometerscanner 13 wird analog bezeichnet.
Im vorliegenden Beispiel sind am Bearbeitungskopf 11 drei Abstandssensoren 8 befestigt und senkrecht nach unten auf das Pulverbett 10 gerichtet. Durch entsprechende Kalibrierung (z. B. Nulllage an der Unterkante des Bearbeitungskopfes) kann der aktuelle Abstand des Bearbeitungskopfes 11 vom darunterliegenden Pulverbett 10 bestimmt werden. Dieser Abstand kann bspw. 0,7 mm betragen. Die Anzahl und Verteilung der Abstandssensoren 8 sollte dabei so gewählt werden, dass durch das Verfahren des Bearbeitungskopfes 11 jeder Ort des Pulverbettes 10 von mindestens einem Sensor erreichbar ist. Der Bearbeitungskopf 11 weist im vorliegenden Beispiel weiterhin drei Kameras 9 auf, die starr mit dem Bearbeitungskopf 11 verbunden und senkrecht nach unten auf das Pulverbett 10 gerichtet sind. Die Anzahl und Position dieser Kameras 9 kann sich von der Anzahl und Position der Abstandssensoren 8 unterscheiden oder analog gewählt werden. Die Kameras 9 werden auf die erwartete Pulverlage, also die erwartete Lage der Oberfläche der Pulverschicht, fokussiert, um ein möglichst scharfes Bild der Oberfläche zu erhalten. Die Fokuslänge bzw. Schärfentiefe der Kameras 9 sollte dabei mindestens so groß gewählt sein wie die erwarteten Schwankungen in der Höhe der Pulverschicht bzw. der Lage der Oberfläche der Pulverschicht. Die Kameras 9 sollten dabei eine Auflösung und Genauigkeit aufweisen, die die angestrebte Positioniergenauigkeit des Laser-Scanner-Systems übersteigt. Die Anzahl und Verteilung der Kameras 9 sollte wiederum so gewählt werden, dass durch das Verfahren des Bearbeitungskopfes 11 jeder Ort des Pulverbettes 10 von mindestens einer Kamera 9 erreichbar ist. Am Bearbeitungskopf 11 kann auch zusätzlich eine Beleuchtungseinrichtung angebracht sein, um die Aufnahmequalität der Kameraaufnahmen zu verbessern.
4 zeigt eine Beschichtungseinrichtung 15, wie sie bei der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren genutzt werden kann. Diese Beschichtungseinrichtung 15 weist vorzugsweise eine austauschbare Lippe, Bürste oder Klinge als Nivellierelement 20 für die Nivellierung der Pulverschicht auf, das in einer Halterung 17 fixiert ist. Die Halterung 17 verläuft parallel zur linearen Querachse 21 und ist typischerweise auf der dem Bearbeitungskopf 11 und Galvanometerscanner 13 abgewandten Seite starr am Bearbeitungskopf 11 angebracht. Die Halterung 17 erstreckt sich fast bis zu den seitlichen orthogonalen Linearachsen 12, mindestens aber über die volle Breite des Bearbeitungsbereiches bzw. Pulverbettes. Die Beschichtungseinrichtung 15 inkl. Halterung 17 kann entweder - wie im vorliegenden Beispiel - mit dem Bearbeitungskopf 11 starr verbunden und an den selben Achsen angebracht sein oder keine derartige Kopplung zum Bearbeitungskopf 11 aufweisen und über eigene Achsen bewegt werden. An beiden Enden der Halterung 17 der Beschichtungseinrichtung ist je eine Justiervorrichtung 16 angebracht, über die die Höhe der Halterung 17 oder des darin eingesetzten Nivellierelementes 20 justiert werden kann. Diese Justiervorrichtung 16 kann z. B. durch Mikrometerschrauben gebildet sein, welche die Position von Kugeln, auf denen die Halterung 17 aufliegt, vorgeben. Die Justiervorrichtung 16 sollte sowohl manuell als auch automatisiert verstellbar sein, so dass die Stellung des Nivellierelementes 20 auch maschinell geregelt werden kann. In einer Weiterbildung kann der Bearbeitungskopf 11 auch ein oder zwei Rotationsachsen aufweisen, mit denen eine eventuelle Schiefstellung des Bearbeitungskopfes 11 ausgeglichen werden kann.
Mit einer derartigen Vorrichtung kann das vorgeschlagene Verfahren beispielsweise in folgender Weise durchgeführt werden:

Vor dem Aufbauprozess:
- 1) Vor dem Prozess kann als Ausgangssituation eine neue
Beschichtungseinrichtung angebracht werden. Diese kann, bspw. auf der unterliegenden Substratplatte, zunächst grob vorkalibriert werden, wie dies im Stand der Technik bisher mit höherer Genauigkeit durchgeführt wird. Selbst grobe Schiefstellungen, z.B. in Höhe von 2 mm über die gesamte Breite des Bearbeitungsbereiches sind hier beim vorgeschlagenen Verfahren akzeptabel. Ist bereits eine Beschichtungseinrichtung von einem vorherigen Baujob eingebaut, so kann dieser Schritt übersprungen werden.
2) Anschließend wird eine Pulverschicht mit der Beschichtungseinrichtung aufgetragen. Die Dicke der Schicht ist beliebig, jedoch so zu wählen, dass der gesamte Bearbeitungsbereich von Pulver bedeckt wird und das Pulverbett zusammenhängend ist, also keine Unterbrechungen, bspw. durch ein Hervorstehen der darunterliegenden Substratplatte, vorliegen.
3) Im nächsten Schritt wird der Bearbeitungskopf orthogonal zur Beschichtungsrichtung über die gesamte Breite des Bearbeitungsbereiches verfahren. Dabei werden die Werte der Abstandssensoren mit den zugehörigen Positionen der Sensoren vermerkt. Dies kann nur an einer oder auch an unterschiedlichen Längspositionen des Bearbeitungsbereiches erfolgen. Die gesammelten Werte werden anschließend genutzt, um ein Profil der Pulverschicht zu erzeugen. Das erzeugte Profil lässt sich in drei Kategorien einteilen, die über das weitere Vorgehen entscheiden:
1. a) Oberfläche stark unregelmäßig (z. B. lokale Abweichungen von > 150 µm zu einer über die Breite des Pulverbettes gefitteten Geraden): Die Beschichtungseinrichtung ist vermutlich beschädigt und nicht mehr geeignet, eine gleichmäßige Pulverschicht aufzutragen. Die Beschichtungseinrichtung oder das darin eingesetzte Nivellierelement wird daher ausgetauscht und es wird mit dem obigen ersten Schritt 1) neu begonnen.
2. b) Oberfläche gleichmäßig aber schief (z. B. Schiefstellung von > 20 µm über die gesamte Breite) : Die Beschichtungseinrichtung ist nicht beschädigt, aber nicht parallel zur Achse ausgerichtet. Sie muss nachjustiert werden. Dies kann z. B. mit Hilfe von Mikrometerschrauben erfolgen. Die notwendige Nachjustierung kann als Steigung der Regressionsgeraden des gemessenen Profils des Pulvers berechnet und auf die beiden Schrauben verteilt werden. Der Vorgang kann entweder manuell oder - sofern vorgesehen - vollautomatisch erfolgen. Danach wird mit dem obigen zweiten Schritt 2) fortgefahren.
3. c) Oberfläche gleichmäßig und gerade: Die Pulverschicht ist gleichmäßig und parallel zu der Achse ausgerichtet. Es wird mit dem nachfolgenden Schritt 4) fortgefahren.
4) In diesem nachfolgenden Schritt kann die mit der Beschichtungseinrichtung zuletzt erstellte Messreihe zur Erstellung einer ortsabhängigen Korrekturdatei für die dynamische Ablenkeinrichtung genutzt werden. Diese ist unterschiedlich zu der durch Kalibrierung erhaltenen Korrekturdatei für die dynamische Ablenkeinrichtung und basiert auf der gemessenen verbliebenen Differenz zwischen Soll- und Ist-Höhe der Pulverschicht je nach Position des Bearbeitungskopfes.
5) Anschließend wird die gewünschte Anfangsschichtdicke eingestellt und der Fertigungs- bzw. Aufbauprozess gestartet. Dabei wird die ggf. erstellte Korrekturdatei zusätzlich verwendet. Die Methodik richtet die Pulveroberfläche parallel zum Bearbeitungskopf und zum Linearachssystem, nicht jedoch zur Substratplatte aus. Daher kann die lokale Schichtdicke während der ersten Schicht oder Schichten aufgrund einer Schiefstellung der Substratplatte abweichen oder in Teilbereichen 0 sein. Dies kann auch bei bestehenden Ansätzen passieren und stellt (sofern keine übermäßige Schiefstellung der Substratplatte vorliegt) gewöhnlich kein Problem für den LPBF Prozess dar.

Während des Aufbauprozesses:

1) Zunächst erfolgt die Belichtung der ersten Schichten gemäß dem vorgesehenen Aufbauprogramm (ca. 5 Schichten) bis eine gleichmäßige Schichthöhe erreicht ist. Anschließend erfolgt eine periodische (z. B. alle 25 Schichten) Durchführung und Auswertung von zwei Messreihen:
1. a) Messung der Pulveroberfläche mit den Abstandssensoren: Der Bearbeitungskopf wird orthogonal zur Beschichtungsrichtung über die maximal mögliche Breite des Bearbeitungsbereiches bzw. Pulverbettes verfahren. Dabei werden die Werte der Abstandssensoren mit den zugehörigen Positionen der Sensoren gelockt.
2. b) Erzeugung und Vermessung von Scanmustern (Markierungen) an mehreren Stellen (z. B. im 200 mm Raster über das Pulverbett verteilt):
  1. i) Belichten von zwei nahe beieinanderliegenden Scanmustern, bspw. zwei Kreuze, von denen eines um 45° rotiert ist, von unterschiedlichen Positionen des Bearbeitungskopfes (z. B. aus 100 mm Entfernung). Die Scanmuster können sich an einer der beiden Positionen des Bearbeitungskopfes oder dazwischen, jeweils im Pulverbett, befinden. Dabei kann für eine verbesserte spätere Erkennung der Ist-Positionen ein Soll-Abstand (z. B. 200 µm) zwischen den beiden Scanmustern eingestellt werden. Beispielhafte Parameter zum Erzeugen dieser Scanmuster in Edelstahl 1.4404 als Pulvermaterial sind: Spot-Durchmesser d_s = 70 µm; Scangeschwindigkeit v_s = 50 mm/s; Leistung P_L = 120 W; Schichtdicke D_s = 100 µm.
  2. ii) Vermessung der Position der Scanmuster durch Verfahren einer am Bearbeitungskopf angebrachten Kamera mit dem Bearbeitungskopf zu dem jeweiligen Scanmuster (automatisiert mit Bilderkennung). Es wird z. B. der Mittelpunkt jedes Kreuzes bestimmt, wobei die Kreuze für eine verbesserte Unterscheidbarkeit z.B. um 45° gegeneinander rotiert sein können. Dabei sind die Kreuze so nah zueinander erzeugt worden (z. B. im Abstand von 200 µm), dass beide Kreuze gleichzeitig, d. h. in einer Aufnahme, mit der Kamera erfasst und vermessen werden können.
3. c) Auswertung der erzeugten Messdaten: Zunächst werden die Daten der Abstandssensoren mit dem vor dem Prozess erfassten Profil verglichen. Im Falle einer Abweichung ist dies vermutlich auf Änderungen im Pulverauftrag zurückzuführen. Dies kommt selten vor und die Ursache sollte entsprechend dem Einzelfall gesucht werden. Generell ist die vor dem Prozess gegebenenfalls generierte Korrekturdatei gemäß der ermittelten Soll-Ist-Differenz anzupassen. Anschließend erfolgt ein Vergleich des Abstandes der Scanmuster mit dem Soll-Abstand (aufgeteilt in x- und y-Richtung). Bei zu großem oder zu kleinem Abstand wird eine vor dem Prozess für die dynamische Ablenkeinrichtung gemäß dem Stand der Technik generierte Korrekturdatei entsprechend angepasst. So können auch nicht-lineare Ortsabhängigkeiten, welche z. B. durch Rotationsfehler der Achsen verursacht sein können, kompensiert werden. Sollte vor dem Prozess keine Korrekturdatei erstellt worden sein, so wird diese auf Basis der obigen Messung neu erstellt.

5 zeigt hierzu beispielhaft vier Teilbereiche 28, innerhalb derer ein entsprechendes Kalibrierungsmuster aus mehreren Markierungen 29 mit der dynamischen Ablenkeinrichtung 13 des Bearbeitungskopfes 11 erzeugt wird. In der vergrößerten Darstellung ist hierbei zu erkennen, dass jeweils zwei Markierungen 29 dicht nebeneinander liegen, die bei unterschiedlichen Stellungen des Bearbeitungskopfes erzeugt werden. Als Markierungen 29 werden hier beispielhaft Kreuze genutzt.
Auch eine Schiefstellung des Bearbeitungskopfes vor oder während des Prozesses kann in einer Ausgestaltung durch Analyse der Daten von mehreren Sensoren, idealerweise mindestens von drei, die auf diese Weise eine Ebene definieren, ermittelt werden. Falls zusätzliche rotatorische Achsen am Bearbeitungskopf angebracht sind, können diese Daten verwendet werden, um die Schiefstellung zu korrigieren.
Für die Erzeugung der Scanmuster bzw. Markierungen zur Erstellung der Korrekturdaten oder Korrekturdateien für die dynamische(n) Ablenkeinrichtung(en) kann es notwendig sein, während des Aufbauprozess an Stellen, an denen später Markierungen zur Kalibrierung erzeugt werden, Stützstrukturen wie bspw. Quader neben dem eigentlichen Bauteil aufzubauen. Die Erzeugung der Markierungen erfolgt dann auf diesen Stützen. Alternativ oder zusätzlich - je nach Form des Bauteils - können die Markierungen auch auf Bauteilbereichen aufgebracht werden.
Die Vermessung der Position der Markierungen mit einer oder mehreren am Bearbeitungskopf angebrachten Kameras erfordert, dass die Kamera bzw. das zugehörige Sichtfeld mit ausreichender Absolutgenauigkeit positioniert werden kann. Falls das mechanische System diese Genauigkeit in Folge von translatorischen oder rotatorischen Abweichungen nicht ermöglicht, kann eine steuerungsseitige Kompensation des Achssystems vorgenommen werden, um die benötigten Genauigkeiten bei der Positionierung der Kamera zu erzielen. Basierend auf den gemessenen Positionen und deren Abweichungen zu den Sollpositionen werden dann Korrekturdateien bzw. Korrekturdaten für die dynamische(n) Ablenkeinrichtung(en) erzeugt, wie dies im Folgenden beispielhaft beschrieben ist.
Die Erstellung der Korrekturdaten bzw. Korrekturdateien erfolgt mit einem geeigneten Algorithmus zur automatisierten Erkennung einer Markierung in den aufgezeichneten Bildern. Die Markierung kann z. B. die Form eines Kreises oder Kreuzes mit einem Durchmesser von je 1 mm haben. Beim Kreis kann z. B. der Mittelpunkt als Schwerpunkt des Kreises definiert werden, beim Kreuz als Schnittpunkt der beiden Diagonalen. Der Algorithmus ist in der Lage, auch mehrere derartige Markierungen in demselben Bild zu erkennen und zu lokalisieren. Derartige Algorithmen sind verfügbar. Es kann dabei entweder eine kommerzielle off-the-shelf Lösung oder ein basierend auf öffentlich zugänglichen Algorithmen selbstgeschriebener Algorithmus eingesetzt werden. Der Algorithmus kann kontrastbasiert oder KI-basiert arbeiten. Die Kompensations- bzw. Korrekturdatei zur Anpassung der Auslenkung der dynamischen Ablenkeinrichtung in Abhängigkeit der Position dieser Ablenkeinrichtung bzw. des Bearbeitungskopfes kann auf einem von zwei Wegen erzeugt werden:

a) Es kann eine 4D-Matrix erzeugt werden, die für eine Vielzahl von x-y-Positionen des Bearbeitungskopfes jeweils eine 2D-Korrekturdatei enthält. Mit diesem Vorgehen können Lineareffekte und Rotationseffekte auf die Auslenkung der dynamischen Ablenkeinrichtung kompensiert werden. Jede 2D-Korrekturdatei hat dabei ein übliches Format, wie es bspw. in der eingangs genannten DE 44 37 284 A1 beschrieben ist. Zur Nutzung dieser 4D-Matrix im Prozess gibt es folgende Möglichkeiten:
- i) Bei Bewegung des Bearbeitungskopfes in eine neue Position, für die noch keine Korrekturdatei in der 4D-Matrix existiert, wird eine neue Korrekturdatei durch Interpolation zwischen den 2D-Korrekturdateien der in der 4D-Matrix benachbarten x-y-Positionen berechnet. Diese neu berechnete Korrekturdatei wird dann bis zur erneuten Bewegung des Bearbeitungskopfes genutzt.
- ii) Es erfolgt eine Ermittlung der notwendigen Kompensation bzw. Korrektur für jeden Scanvektor für jeden Vektorzug. Traditionell wird hierzu (bei nur einer 2D-Korrekturdatei) gemäß der x-y-Soll-Auslenkung zwischen den umliegenden vier Werten interpoliert. Bei dem hier vorgestellten System wird in Abhängigkeit von der x-y-Lage des Bearbeitungskopfes sowie der x-y-Soll-Auslenkung der dynamischen Ablenkeinrichtung zwischen den umliegenden 16 Werten (4 benachbarte x-y-Auslenkungen der dynamischen Ablenkeinrichtung * 4 benachbarte Positionen des Bearbeitungskopfes) interpoliert. Dieser Ansatz ist insbesondere bei einer On-The-Fly Belichtungsstrategie vorzuziehen, wie sie bspw. in der US 2018/0056443 A1 beschrieben ist, da so die kontinuierliche Bewegung des Bearbeitungskopfes in einer Größenordnung von < 20 ms (gewöhnliche maximale Zeit pro Vektorzug) kompensiert werden kann.
b) Es wird eine 2D-Matrix (separat für x- und y-Auslenkung der dynamischen Ablenkeinrichtung) erzeugt, die für eine Vielzahl von x-y-Positionen des Bearbeitungskopfes einen Faktor enthält (sog. Gain-Faktor). Im Gegensatz zu der 4D-Matrix können mit diesem Vorgehen nur Lineareffekte der Position des Bearbeitungskopfes vertikal zum Pulverbett auf die Auslenkung kompensiert werden. Diese Matrix wird dabei zusätzlich zu den bereits üblicherweise vorhandenen Korrekturdateien der dynamischen Ablenkeinrichtungen (gemäß dem Stand der Technik generierte Korrekturdateien) verwendet. Die 2D-Matrix wird dann im Aufbauprozess in folgender Weise benutzt. Bei Bewegung des Bearbeitungskopfes in eine neue Position, für die noch kein Gain-Faktor vorhanden ist, wird der notwendige Gain-Faktor durch Interpolation zwischen den Faktoren der in der 2D-Matrix benachbarten x-y-Positionen berechnet. Zur Ermittlung der notwendigen Auslenkung der dynamischen Ablenkeinrichtung für einen Vektorzug werden die Soll-Auslenkung, der ermittelte Gain-Faktor und der zugehörige Faktor aus der traditionellen Korrekturdatei multipliziert.

Bezugszeichenliste

1: dynamische Ablenkeinrichtung (Scanner)
2: zu belichtender Punkt
3: Soll-Pulverlage
4: Oberfläche der Pulverschicht
5: rotatorische Auslenkung
6: laterale Abweichung
7: Bewegung des Bearbeitungskopfes
8: Abstandssensor
9: Kamera
10: Bearbeitungsbereich bzw. Pulverbett
11: Bearbeitungskopf
12: Linearachse
13: dynamische Ablenkeinrichtung (Galvanometerscanner)
14: Laserstrahl
15: Beschichtungseinrichtung
16: Justiervorrichtung (Mikrometerschrauben)
17: Halterung
20: Nivellierelement
21: Querachse
22: Belichtungsfeld
23: Mittelpunkt
24: erwartete Geometrie des Belichtungsfeldes
25: Übergangsbereich
26: Kante
27: Linearachse
28: Teilbereich
29: Markierungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19649865 C1 [0002]
EP 1839781 A2 [0002]
US 2018/0221954 A1 [0002]
DE 4437284 A1 [0006, 0029]
US 2018/0056443 A1 [0029]

Claims

Verfahren zur Steigerung der Fertigungsgenauigkeit beim pulverbettbasierten Strahlschmelzen mit einem entlang wenigstens einer Linearachse (12, 27) über einem Bearbeitungsbereich (10) verfahrbaren Bearbeitungskopf (11), der wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung (13) zur Führung wenigstens eines energetischen Strahls (14) über einen Teilbereich (28) des Bearbeitungsbereiches (10) aufweist, bei dem ein oder mehrmals während eines Aufbauprozesses zum schichtweisen Aufbau eines oder mehrerer Bauteile aus einem pulverförmigen Aufbaumaterial vor oder nach dem Auftrag einer neuen Pulverschicht des Aufbaumaterials - in mehreren über den Bearbeitungsbereich (10) verteilten Teilbereichen (28) jeweils mit der Ablenkeinrichtung (13) ein Raster aus Markierungen (29) durch lokales Aufschmelzen der Pulverschicht oder des Bauteils erzeugt wird, - jede der Markierungen (29) mit einer am Bearbeitungskopf (11) angebrachten Kamera (9) erfasst und aus einem Vergleich mit Sollpositionen der Markierungen (29) für jeden der Teilbereiche (28) individuelle Korrekturdaten für die Führung des wenigstens einen energetischen Strahls (14) durch die wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung (13) erzeugt oder angepasst werden, die im weiteren Verlauf des Aufbauprozesses für die Ansteuerung der dynamischen Ablenkeinrichtung (13) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich vor Beginn des Aufbauprozesses mit einem oder mehreren am Bearbeitungskopf (11) angebrachten Abstandssensoren (8) nach dem Auftrag einer Pulverschicht des Aufbaumaterials an mehreren Stellen des Bearbeitungsbereiches (10) ein Abstand des Bearbeitungskopfes (11) zur Oberfläche (4) der Pulverschicht gemessen und bei einer Variation des Abstandes, die einen vorgebbaren Schwellwert übersteigt, entweder eine für den Schichtauftrag genutzte Beschichtungseinrichtung (15) nachjustiert oder die Variation des Abstandes als Abstandsdaten gespeichert und für eine Korrektur der Führung des wenigstens einen energetischen Strahls (14) durch die wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung (13) im weiteren Verlauf des Aufbauprozesses herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch zusätzlich ein oder mehrmals während des Aufbauprozesses nach dem Auftrag einer neuen Pulverschicht des Aufbaumaterials mit dem einen oder den mehreren am Bearbeitungskopf (11) angebrachten Abstandssensoren (8) an mehreren Stellen des Bearbeitungsbereiches (10) ein Abstand des Bearbeitungskopfes (11) zur Oberfläche (4) der Pulverschicht gemessen und eine Variation des Abstandes als Abstandsdaten gespeichert und für eine Korrektur der Führung des wenigstens einen energetischen Strahls (4) durch die wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung (13) im weiteren Verlauf des Aufbauprozesses herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die für den Schichtauftrag eingesetzte Beschichtungseinrichtung (15) über eine Breite des Bearbeitungsbereiches (10) erstreckt, wobei der Schichtauftrag durch eine Bewegung der Beschichtungseinrichtung (15) über eine Länge des Bearbeitungsbereiches (10) erfolgt, und die Messung des Abstandes des Bearbeitungskopfes (11) zur Oberfläche (4) der Pulverschicht an mehreren über die Breite des Bearbeitungsbereiches (10) verteilten Stellen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster aus Markierungen (29) durch mehrere Gruppen von Markierungen (29) gebildet wird, wobei jede Gruppe aus wenigstens zwei Markierungen (29) gebildet ist, die bei unterschiedlichen Positionen des Bearbeitungskopfes (11) erzeugt wurden und einen geringeren Abstand zueinander als zu Markierungen der anderen Gruppen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Markierungen (29) jeder Gruppe einen so geringen Abstand zueinander aufweisen, dass sie mit der am Bearbeitungskopf (11) angebrachten Kamera (9) gleichzeitig erfassbar sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Bearbeitungskopf (11) mehrere Kameras (9) angebracht sind, jede der wenigstens zwei Markierungen (29) einer jeweiligen Gruppe mit einer anderen Kamera (9) als Bild aufgezeichnet wird und die aufgezeichneten Bilder der wenigstens zwei Markierungen (29) anschließend zu einem einzelnen Bild zusammengesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vergleich mit den Sollpositionen der Markierungen ermittelte Positionsabweichungen zur Ermittlung von Korrekturdateien verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bearbeitung von Teilbereichen (28) während des Aufbauprozesses, für die bisher keine individuellen Korrekturdaten erzeugt wurden, Korrekturdaten für die Führung des wenigstens einen energetischen Strahls (14) durch die wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung (13) aus individuellen Korrekturdaten benachbarter Teilbereiche (28) interpoliert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Bearbeitungsbereich (10) verteilten Teilbereiche (28), für die individuelle Korrekturdaten erzeugt werden, so ausgewählt werden, dass sie zusammen den gesamten Bearbeitungsbereich (10) überdecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schritte zur Erzeugung der individuellen Korrekturdaten und gegebenenfalls zur Erfassung der Abstandsdaten automatisiert erfolgen.
Vorrichtung zum pulverbettbasierten Strahlschmelzen mit wenigstens - einem entlang wenigstens einer Linearachse (12, 27) über einen Bearbeitungsbereich (10) verfahrbaren Bearbeitungskopf (11), der wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung (13) zur Führung wenigstens eines energetischen Strahls (14) über einen Teilbereich (28) des Bearbeitungsbereiches (10) aufweist, - einer Beschichtungseinrichtung (15), die sich über eine Breite des Bearbeitungsbereiches (10) erstreckt und mit der durch Bewegung der Beschichtungseinrichtung (15) über eine Länge des Bearbeitungsbereiches (10) Pulverschichten eines Aufbaumaterials im Bearbeitungsbereich (10) aufgetragen und nivelliert werden können, und - einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Bearbeitungskopfes (11) sowie der Beschichtungseinrichtung (15) für den Aufbau eines oder mehrerer Bauteile aus dem Aufbaumaterial, - wobei der Bearbeitungskopf (11) ein oder mehrere Abstandssensoren (8), über die ein Abstand des Bearbeitungskopfes (11) zu einer Oberfläche (4) einer im Bearbeitungsbereich (10) aufgetragenen Pulverschicht gemessen werden kann, und wenigstens eine Kamera (9) aufweist, mit der Bilder von Bereichen der Oberfläche (4) der aufgetragenen Pulverschicht aufgezeichnet werden können, und - wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie den Bearbeitungskopf (11) zur Durchführung der Verfahrensschritte für die Erzeugung und Erfassung der Markierungen (29) und gegebenenfalls Vermessung des Abstandes gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Patentansprüche ansteuert, die individuellen Korrekturdaten und gegebenenfalls Abstandsdaten erzeugt und bei Ansteuerung der dynamischen Ablenkeinrichtung(en) (13) nutzt.