DE102021110137A1 - METHOD OF MEASURING INFLOW LEAKAGE RATE OF AGRICULTURAL MANUFACTURING DEVICE AND AGGREGATIVE MANUFACTURING DEVICE - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Messen einer Einströmleckrate in ein Gaskreislaufsystem (41) einer Vorrichtung (1) zur generativen Fertigung eines Bauteils (3) aus einem Pulvermaterial (5), das Bauplattform (27) in einer Fertigungskammer (13) bereitgestellt ist. Das Gaskreislaufsystem (41) umfasst für eine Zirkulation eines Gases durch die Fertigungskammer (13) eine Pumpe (47), einen Schutzgasanschluss (53), einen Drucksensor (S_P) und einen Gassensor (S_G) und ist ferner dazu ausgebildet, eine Fertigungsatmosphäre mit einem Überdruck in der Fertigungskammer (13) einzustellen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, die vor einem Beginn einer generativen Fertigung des Bauteils (3) durchgeführt werden:- Zirkulieren das Gases im Gaskreislaufsystem (41),- Einstellen eines initialen Überdrucks in der Fertigungskammer (13),- Einstellen eines initialen Volumenanteils einer Gaskomponente des zirkulierten Gases,- Messen eines zeitlichen Anstiegs des Volumenanteils der Gaskomponente in der Fertigungskammer (13),- Vergleichen des gemessenen zeitlichen Anstiegs des Volumenanteils mit einem Prüf-Schwellwert, der eine zulässige Einströmleckrate angibt, und- Erzeugen eines Leckraten-Prüfwertes basierend auf dem Vergleich.A method for measuring an inflow leak rate in a gas circulation system (41) of a device (1) for the additive manufacturing of a component (3) made of a powder material (5) is provided on the construction platform (27) in a manufacturing chamber (13). The gas circulation system (41) comprises a pump (47), a protective gas connection (53), a pressure sensor (S_P) and a gas sensor (S_G) for circulating a gas through the production chamber (13) and is also designed to create a production atmosphere with a Adjust overpressure in the production chamber (13). The method comprises the following steps, which are carried out before starting additive manufacturing of the component (3): - circulating the gas in the gas circulation system (41), - setting an initial overpressure in the manufacturing chamber (13), - setting an initial volume fraction of a Gas component of the circulated gas, - measuring an increase over time in the volume fraction of the gas component in the production chamber (13), - comparing the measured increase in the volume fraction over time with a test threshold value which indicates an allowable inflow leak rate, and- generating a leak rate test value based on the comparison.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen der, insbesondere laserbasierten, generativen Fertigung von Bauteilen aus Pulver. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zum Bestimmen einer Einströmleckrate von Gas, insbesondere einer spezifischen messbaren Gaskomponente, in einen Gaskreislauf einer Vorrichtung zur generativen Fertigung.The present invention relates to methods and devices for the, in particular laser-based, additive manufacturing of components made of powder. In particular, the invention relates to methods for determining an inflow leakage rate of gas, in particular a specific measurable gas component, in a gas circuit of a device for additive manufacturing.
Die generative Fertigung von, insbesondere metallischen oder keramischen, Bauteilen basiert auf einem Verfestigen eines auf einer Bauplattform in einer Fertigungskammer in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials durch die Bestrahlung mit einem Energiestrahl, im Fall der laserbasierten generativen Fertigung mit Laserlicht. Dieses Konzept - auch als selektives Laserschmelzen (SLM: selective laser melting) oder als Pulverbettfusion bekannt - wird unter anderem in Maschinen für den (metallischen) 3D-Druck eingesetzt. Im Fall des auf einem metallischen Pulver basierenden 3D-Drucks spricht man auch von Laser-Metal-Fusion (LMF)-Anlagen. Eine beispielhafte Maschine zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Produkten ist in
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Speziellen auf die Bereitstellung einer Fertigungsatmosphäre - (Schutz-) Gasatmosphäre - in der Fertigungskammer, die Einflüsse wie Oxidation auf generativ gefertigte Bauteilschichten, aufgeschmolzenes Pulvermatieral oder umliegendes Pulvermaterial vermeidet.The present disclosure relates in particular to the provision of a manufacturing atmosphere—(protective) gas atmosphere—in the manufacturing chamber, which avoids influences such as oxidation on generatively manufactured component layers, melted powder material or surrounding powder material.
Hierfür offenbart
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das es ermöglicht, bei Fertigungsprozessen sicherzustellen, dass eine tatsächliche z. B. Sauerstoffaufnahme in einem gefertigten Bauteil und Pulvermaterial während des Fertigungsprozesses innerhalb eines tolerierbaren die Bauteilqualität nicht negativ beeinflussenden Ausmaß bleibt. Dies setzt voraus, dass z. B. ein Sauerstoffgehalt in der Fertigungsatmosphäre während der Fertigung unter einem vorbestimmten Grenzgehalt bleibt.One aspect of this disclosure is based on the object of proposing a method that makes it possible to ensure in manufacturing processes that an actual z. B. Oxygen absorption in a manufactured component and powder material during the manufacturing process remains within a tolerable extent that does not negatively affect the quality of the component. This assumes that e.g. B. an oxygen content in the manufacturing atmosphere during manufacturing remains below a predetermined limit level.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zum Messen einer Einströmleckrate in ein Gaskreislaufsystem einer Vorrichtung zur generativen Fertigung nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Überprüfung einer Fertigungsatmosphäre nach Anspruch 11 und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils nach Anspruch 12. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.At least one of these objects is achieved by a method for measuring an inflow leak rate in a gas circulation system of a device for additive manufacturing according to claim 1, a method for checking a manufacturing atmosphere according to
In einem Aspekt weist ein Verfahren zum Messen einer Einströmleckrate in ein Gaskreislaufsystem einer Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, das auf einer Bauplattform in einer Fertigungskammer bereitgestellt ist, wobei das Gaskreislaufsystem für eine Zirkulation eines Gases durch die Fertigungskammer eine mit der Fertigungskammer fluidverbundene Pumpe, einen Schutzgasanschluss, der für ein regelbares Zuführen von Schutzgas mit einem Schutzgastank fluidverbunden ist, einen Drucksensor zum Messen eines im Gaskreislaufsystem, und insbesondere in der Fertigungskammer, vorliegenden Drucks und einen Gassensor zum Messen eines Volumenanteils einer Gaskomponente des zirkulierten Gases umfasst. Das Gaskreislaufsystem ist ferner dazu ausgebildet ist, eine Fertigungsatmosphäre mit einem Überdruck in der Fertigungskammer einzustellen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, die insbesondere vor einem Beginn einer generativen Fertigung des Bauteils durchgeführt werden:
- - Zirkulieren das Gases im Gaskreislaufsystem,
- - Einstellen eines initialen Überdrucks in der Fertigungskammer,
- - Einstellen eines initialen Volumenanteils einer Gaskomponente des zirkulierten Gases,
- - Messen eines zeitlichen Anstiegs des Volumenanteils der Gaskomponente in der Fertigungskammer,
- - Vergleichen des gemessenen zeitlichen Anstiegs des Volumenanteils mit einem Prüf-Schwellwert, der eine zulässige Einströmleckrate, insbesondere einen Bereich für eine zulässige Einströmleckrate, angibt, und
- - Erzeugen eines Leckraten-Prüfwertes basierend auf dem Vergleich.
- - circulate the gas in the gas circulation system,
- - setting an initial overpressure in the production chamber,
- - setting an initial volume fraction of a gas component of the circulated gas,
- - measuring a temporal increase in the volume fraction of the gas component in the manufacturing chamber,
- - Comparing the measured increase in the volume proportion over time with a test threshold value, which specifies a permissible inflow leak rate, in particular a range for a permissible inflow leak rate, and
- - Generating a leak rate test value based on the comparison.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zur Überprüfung einer Fertigungsatmosphäre, die während eines Fertigungsprozesses mit einer Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Bauteils aus einem Pulvermaterial vorlag, wobei das Pulvermaterial auf einer Bauplattform in einer Fertigungskammer bereitgestellt ist, wobei das Gaskreislaufsystem für eine Zirkulation eines Gases durch die Fertigungskammer eine mit der Fertigungskammer fluidverbundene Pumpe, einen Schutzgasanschluss, der für ein regelbares Zuführen von Schutzgas mit einem Schutzgastank fluidverbunden ist, einen Drucksensor zum Messen eines im Gaskreislaufsystem, und insbesondere in der Fertigungskammer, vorliegenden Drucks und einen Sensor zum Messen eines Volumenanteils einer Gaskomponente des zirkulierten Gases umfasst. Das Gaskreislaufsystem ist ferner dazu ausgebildet, die Fertigungsatmosphäre mit einem Überdruck in der Fertigungskammer bereitzustellen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - vor einem Beginn der generativen Fertigung des Bauteils Durchführen des zuvor zusammengefassten Verfahrens,
- - Durchführen des Fertigungsprozesses mit der Vorrichtung, wenn ein initial erzeugter Leckraten-Prüfwert eine Durchführung des Fertigungsprozesses freigibt,
- - optional Deaktivieren einer Wärmequelle zum Temperieren des Pulvermaterials nach Abschluss des Fertigungsprozesses,
- - Abkühlen der Fertigungsatmosphäre unter einen Temperatur-Schwellwert,
- - erneutes Durchführen des Verfahrens, wobei der nach der Durchführung des Fertigungsprozesses erneut erzeugte Leckraten-Prüfwert mit einem Leckraten-Schwellwert verglichen wird, der eine zulässige Fertigungsprozess-Einströmleckrate angibt, und
- - Erzeugen eines Fertigungsprozess-Prüfwertes basierend auf dem Vergleich, wobei der Fertigungsprozess-Prüfwert zur Überprüfung der Fertigungsatmosphäre angibt, ob der Fertigungsprozess unter der zulässigen Fertigungsprozess-Einströmleckrate durchgeführt wurde.
- - before starting the additive manufacturing of the component, carrying out the previously summarized method,
- - Carrying out the manufacturing process with the device if an initially generated leak rate test value enables the manufacturing process to be carried out,
- - optional deactivation of a heat source for tempering the powder material after completion of the manufacturing process,
- - Cooling of the production atmosphere below a temperature threshold,
- - Re-performing the method, wherein the leak rate test value generated again after the manufacturing process has been carried out is compared with a leak rate threshold value which indicates a permissible manufacturing process inflow leak rate, and
- - generating a manufacturing process check value based on the comparison, the manufacturing process check value for checking the manufacturing atmosphere indicating whether the manufacturing process was performed below the allowable manufacturing process inflow leak rate.
In einem weiteren Aspekt umfasst eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Pulvermaterial eine Fertigungskammer, eine Bauplattform in der Fertigungskammer, wobei das Pulvermaterial auf der Bauplattform bereitgestellt wird, ein Bestrahlungssystem zur Erzeugung eines Energiestrahls für die Bestrahlung des Pulvermaterials zum schichtweisen Herstellen des Bauteils, und ein Gaskreislaufsystem für eine Zirkulation eines Gases durch die Fertigungskammer. Das Gaskreislaufsystem umfasst eine mit der Fertigungskammer fluidverbundene Pumpe, einen Schutzgasanschluss, der für ein regelbares Zuführen von Schutzgas mit einem Schutzgastank fluidverbunden/fluidverbindbar ist, einen Drucksensor zum Messen eines im Gaskreislaufsystem, und insbesondere in der Fertigungskammer, vorliegenden Drucks und einen Gassensor zum Messen eines Volumenanteils einer Gaskomponente des zirkulierten Gases umfasst. Das Gaskreislaufsystem ist ferner dazu ausgebildet, eine Fertigungsatmosphäre mit einem Überdruck in der Fertigungskammer einzustellen. Die Fertigungsvorrichtung umfasst ferner eine Steuereinrichtung mit mindestens einem Mikroprozessor und einer Speichervorrichtung, wobei die Speichervorrichtung dazu eingerichtet ist, Befehle zu speichern, die, wenn sie von dem Mikroprozessor ausgeführt werden, Teilschritte eines der hierin offenbarten Verfahren durchführen.In a further aspect, a device for the additive manufacturing of a three-dimensional component from a powder material comprises a manufacturing chamber, a construction platform in the manufacturing chamber, with the powder material being provided on the construction platform, an irradiation system for generating an energy beam for irradiating the powder material for the layer-by-layer production of the component , and a gas circulation system for circulating a gas through the processing chamber. The gas circuit system includes a pump that is fluidly connected to the production chamber, a protective gas connection that is/can be fluidly connected to a protective gas tank for the controllable supply of protective gas, a pressure sensor for measuring a pressure present in the gas circuit system, and in particular in the production chamber, and a gas sensor for measuring a Includes volume fraction of a gas component of the circulated gas. The gas circuit system is also designed to set a manufacturing atmosphere with an overpressure in the manufacturing chamber. The manufacturing device further comprises a control device with at least one microprocessor and a memory device, wherein the memory device is set up to store instructions which, when executed by the microprocessor, carry out partial steps of one of the methods disclosed herein.
In einigen Ausführungsformen kann das Pulvermaterial während der generativen Fertigung mit einer Wärmequelle temperiert werden. Es ist insbesondere auf einer mit einer Heizvorrichtung erwärmbaren Bauplattform in der Fertigungskammer bereitgestellt und/oder über einen Heizstrahler erwärmbar. Während des Messen des zeitlichen Anstiegs des Volumenanteils kann das Gas im Gaskreislaufsystem unter einer thermischen Randbedingung zirkuliert werden, bei der eine Absorption der Gaskomponente im Pulvermaterial und/oder im Bauteil den zeitlichen Anstieg des Volumenanteils im Wesentlichen nicht beeinflusst.In some embodiments, the powder material can be tempered with a heat source during additive manufacturing. In particular, it is provided on a construction platform that can be heated with a heating device in the production chamber and/or can be heated by a radiant heater. During the measurement of the increase in the volume fraction over time, the gas in the gas circulation system can be circulated under a thermal boundary condition in which absorption of the gas component in the powder material and/or in the component essentially does not affect the increase in the volume fraction over time.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner den Schritt umfassen:
- - Bereitstellen der thermischen Randbedingung durch Deaktivierung der Wärmequelle oder durch Aktivierung der Wärmequelle, bis maximal eine Grenztemperatur im Pulvermaterial vorliegt, bei der eine Absorption der Gaskomponente im Pulvermaterial und/oder im Bauteil den zeitlichen Anstieg des Volumenanteils im Wesentlichen nicht beeinflusst.
- - Provision of the thermal boundary condition by deactivating the heat source or by activating the heat source until a limit temperature is present in the powder material at most, at which absorption of the gas component in the powder material and/or in the component essentially does not affect the increase in the volume fraction over time.
Dabei kann der initiale Volumenanteil der Gaskomponente auf einen Wert im Messbereich des Gassensors eingestellt werden. Insbesondere kann der initiale Volumenanteil der Gaskomponente einer Sauerstoffgaskomponente zugeordnet sein und/oder der initiale Volumenanteil kann durch Zuführen von Schutzgas in das Gaskreislaufsystem eingestellt werden.The initial volume fraction of the gas component can be set to a value in the measuring range of the gas sensor. In particular, the initial volume fraction of the gas component can be assigned to an oxygen gas component and/or the initial volume fraction can be adjusted by feeding inert gas into the gas circulation system.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner den Schritt umfassen:
- - Regeln des Überdrucks in der Fertigungskammer während des Messens des zeitlichen Anstiegs des Volumenanteils, insbesondere durch Zuführen von Schutzgas in das Gaskreislaufsystem.
- - Regulating the overpressure in the production chamber while measuring the increase in the volume fraction over time, in particular by feeding protective gas into the gas circulation system.
Dabei kann das Gas im Gaskreislaufsystem unter einer hinsichtlich des Überdrucks in der Fertigungskammer ungeregelten Randbedingung zirkuliert werden.The gas can be circulated in the gas circulation system under an unregulated boundary condition with regard to the overpressure in the production chamber.
In einigen Ausführungsformen kann der zeitliche Anstieg des Volumenanteils der Gaskomponente über mindestens 5 Minuten oder mindestens 10 Minuten und insbesondere in einem Zeitfenster in einem Bereich von 5 bis 15 Minuten gemessen werden. Insbesondere kann er vor einer Aktivierung einer Wärmequelle zum Temperieren des Pulvermaterials gemessen werden.In some embodiments, the increase in the volume fraction of the gas component over at least 5 minutes or at least 10 minutes and in particular in a time window can be measured in a range of 5 to 15 minutes. In particular, it can be measured before activating a heat source for tempering the powder material.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner den Schritt umfassen:
- - Bestimmen des Prüf-Schwellwerts spezifisch für Prozessbedingungen, die einen Typ des Pulvermaterials und ein Ausmaß eines temperierbaren Oberflächenanteils in der Fertigungskammer umfassen, und wobei der Prüf-Schwellwert für Sauerstoff als der Messung zugrunde liegende Gaskomponente in einem Bereich von 10 ppmv/h bis 300 ppmv/h liegt.
- - Determining the test threshold specific to process conditions that include a type of powder material and an amount of temperature controllable surface area in the processing chamber, and wherein the test threshold for oxygen as the gas component underlying the measurement is in a range from 10 ppmv/h to 300 ppmv/hr.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen:
- - Bestimmen, dass der Leckraten-Prüfwert eine Durchführung eines Fertigungsprozesses erlaubt, und
- - Aktivieren der Einnahme der Prozessbedingungen, wobei insbesondere einer Wärmequelle zum Temperieren des Pulvermaterials aktiviert wird.
- - determining that the leak rate test value allows a manufacturing process to be carried out, and
- - Activation of taking the process conditions, in particular a heat source for tempering the powder material is activated.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen:
- - Bestimmen, dass der Leckraten-Prüfwert einer Durchführung eines Fertigungsprozesses entgegensteht, und
- - Ausgeben eines Prüfsignals, das angibt, dass eine Überprüfung des Gaskreislaufsystems hinsichtlich der Leckrate von einem Bediener vorzunehmen ist.
- - determining that the leak rate test value prevents a manufacturing process from being carried out, and
- - Issuance of a test signal, which indicates that a check of the gas circulation system with regard to the leak rate is to be carried out by an operator.
In einigen Ausführungsformen der Fertigungsvorrichtung kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, Befehle zu verarbeiten, die, wenn sie von dem Mikroprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass
- - die Pumpe Gas durch die Fertigungskammer zirkuliert,
- - Messdaten des Drucksensors eingelesen werden,
- - Volumenanteildaten des Gassensors eingelesen werden, die eine zeitliche Entwicklung des Volumenanteils der Gaskomponente über
mindestens 5 Minuten oder mindestens 10 Minuten und insbesondere in einem Zeitfenster in einemBereich von 5bis 15 Minuten angeben, - - eine zeitliche Entwicklung des Volumenanteils der Gaskomponente mit einem Prüf-Schwellwert, der eine zulässige Einströmleckrate angibt, verglichen wird und basierend auf dem Vergleich ein Leckraten-Prüfwert erzeugt wird, und/oder
- - ein Fertigungsprozess mit der Fertigungsvorrichtung (1) gemäß einem Fertigungsplan durchgeführt wird.
- - the pump circulates gas through the manufacturing chamber,
- - measurement data of the pressure sensor are read in,
- - volume fraction data of the gas sensor are read in, which indicate a time development of the volume fraction of the gas component over at least 5 minutes or at least 10 minutes and in particular in a time window in a range of 5 to 15 minutes,
- - a development over time of the volume fraction of the gas component is compared with a test threshold value, which indicates an allowable inflow leak rate, and a leak rate test value is generated based on the comparison, and/or
- - A manufacturing process with the manufacturing device (1) is carried out according to a manufacturing plan.
Die Fertigungsvorrichtung kann optional eine Wärmequelle zum Temperieren des Pulvermaterials, insbesondere eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der Bauplattform und/oder einen Heizstrahler zum Bestrahlen des Pulvermaterial, umfassen und die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, Befehle zu verarbeiten, die, wenn sie von dem Mikroprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass
- - die Wärmequelle aktiviert, teilaktiviert oder deaktiviert wird und optional
- - thermische Randbedingung bereitgestellt werden, indem die Wärmequelle deaktiviert oder derart aktiviert wird, sodass maximal eine Grenztemperatur im Pulvermaterial vorliegt, bei der eine Absorption der Gaskomponente im Pulvermaterial und/oder im Bauteil den zeitlichen Anstieg des Volumenanteils im Wesentlichen nicht beeinflusst, und Volumenanteildaten des Gassensors bei Vorlage der thermischen Randbedingung eingelesen werden.
- - the heat source is activated, partially activated or deactivated and optional
- - Thermal boundary conditions are provided by the heat source being deactivated or activated in such a way that there is a maximum limit temperature in the powder material at which absorption of the gas component in the powder material and/or in the component does not essentially affect the increase in the volume fraction over time, and volume fraction data of the gas sensor be read in if the thermal boundary condition is presented.
Weitere Aspekte betreffen ein Computerprogramm/Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Medium. Das Computerprogramm/Computerprogrammprodukt und das computerlesbare Medium sind entsprechend zum Ausführen einer der hierin beschriebenen Verfahren vorgesehen. Das Computerprogramm kann auf einem nicht-flüchtigen Speicher, der insbesondere als Teil einer Steuereinrichtung zum Betreiben einer Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils verwendet wird, abgelegt sein.Further aspects relate to a computer program/computer program product and a computer-readable medium. The computer program/computer program product and the computer-readable medium are respectively provided for executing one of the methods described herein. The computer program can be stored on a non-volatile memory, which is used in particular as part of a control device for operating a device for the additive manufacturing of a three-dimensional component.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen können u. a. den Vorteil aufweisen, dass eine Sauerstoffaufnahme in einem gefertigten Bauteil und Pulvermaterial während des Fertigungsprozesses innerhalb eines tolerierbaren Ausmaßes bleibt, sodass eine Qualität eines generativ gefertigten Bauteils nicht nachteilig beeinflusst wird und eine Wiederverwendung nicht verschmolzenen Pulvermaterials gegeben ist. Insbesondere kann eine „Alterung“ des üblicherweise im Rahmen von mehreren Fertigungsprozessen verwendeten Pulvermaterials verzögert werden.The embodiments disclosed herein may include: have the advantage that oxygen absorption in a manufactured component and powder material remains within a tolerable extent during the manufacturing process, so that the quality of a generatively manufactured component is not adversely affected and powder material that has not been melted can be reused. In particular, "aging" of the powder material usually used in several manufacturing processes can be delayed.
Als weiterer Vorteil kann eine bessere Kontrolle der Fertigungsatmosphäre eine Bauteilqualität in Fertigungsprozessen, die ohne Vorwärmung durchgeführt werden, verbessern, da auf diese Weise z. B. auch eine Oxidation in einem Schmelzbad, das während der Fertigung vom Energiestrahl im Pulverbett erzeugt wird, (besser) kontrolliert werden kann.As a further advantage, better control of the manufacturing atmosphere can improve component quality in manufacturing processes that are carried out without preheating, since e.g. B. also an oxidation in a molten pool during the production of the energy beam generated in the powder bed can be (better) controlled.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische räumliche Darstellung einer beispielhaften generativen Fertigungsvorrichtung, -
2 eine schematische Schnittansicht der generativen Fertigungsvorrichtung aus1 parallel zur XY-Ebene durch die Fertigungskammer, -
3 eine schematische Schnittansicht der generativen Fertigungsvorrichtung aus1 parallel zur XZ-Ebene, -
4 eine schematische Schnittansicht der generativen Fertigungsvorrichtung aus1 parallel zur YZ-Ebene, -
5 eine Skizze zur Verdeutlichung eines beispielhaften Gaskreislaufs einer generativen Fertigungsvorrichtung und -
6 ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen einer Einströmleckrate.
-
1 a schematic spatial representation of an exemplary additive manufacturing device, -
2 a schematic sectional view of the additive manufacturing device1 parallel to the XY plane through the manufacturing chamber, -
3 a schematic sectional view of the additive manufacturing device1 parallel to the XZ plane, -
4 a schematic sectional view of the additive manufacturing device1 parallel to the YZ plane, -
5 a sketch to illustrate an exemplary gas circuit of an additive manufacturing device and -
6 an exemplary flowchart to explain the method according to the invention for measuring an inflow leak rate.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis bei der generativen Fertigung, dass bei sehr kleinen O2/N/H2O-Volumenanteilen eine Messung z. B. eines Volumenanteils einer Sauerstoffgaskomponente des Gases in der Fertigungskammer keine sichere Aussage darüber ermöglicht, wie hoch eine tatsächliche Sauerstoffaufnahme in einem Bauteil und/oder in einem Pulvermaterial während eines Fertigungsprozesses ist. Eine Aussage zu einem Gehalt an O2/N/H2O-Gas kann zusätzlich durch ein übliches Vorheizen der Bauplattform erschwert werden, da das Vorheizen eine Bindungsrate von z. B. Sauerstoff im Bauteil und Pulvermaterial vergrößern kann.Aspects described here are based in part on the knowledge gained in additive manufacturing that, for very small O2/N/H2O volume fractions, a measurement e.g. B. a volume fraction of an oxygen gas component of the gas in the manufacturing chamber does not allow reliable statements about how high an actual oxygen uptake in a component and / or in a powder material is during a manufacturing process. A statement on the content of O2/N/H2O gas can also be made more difficult by conventional preheating of the construction platform, since preheating has a binding rate of e.g. B. oxygen in the component and powder material can increase.
Die Erfinder haben ferner erkannt, dass trotz einem leichten Überdruck in der Fertigungskammer eine Einströmleckrate in das Gaskreislaufsystem zu einem Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Fertigungsatmosphäre führen kann. Die Erfinder schlagen nun vor, eine Einströmleckrate in das Gaskreislaufsystem zu vermessen und zwar losgelöst von auf den Sauerstoffgehalt wirkenden Prozessen wie eine gesteigerte Sauerstoffabsorption im Fall einer geheizten Bauplattform oder allgemein eines erwärmten Pulverbetts, sei es aufgrund eines während der Fertigung erfolgenden Energieeintrags oder einer externen Wärmequelle. Erfindungsgemäß kann eine Messung und Bewertung einer effektiven Leckrate an Sauerstoff, Stickstoff oder Wasser, gemessen z. B. in ppmv/min, erfolgen, nachdem eine (Schutz-) Gasatmosphäre in der Fertigungskammer aufgebaut wurde, wobei der generative Fertigungsprozess selbst nicht stattfindet sowie z. B. eine Vorheizung zum Zeitpunkt der Messung inaktiv oder in einem tolerierbaren Umfang aktiv ist.The inventors have further recognized that despite a slight overpressure in the manufacturing chamber, an inflow leak rate into the gas circulation system can lead to an increase in the oxygen content in the manufacturing atmosphere. The inventors now propose measuring an inflow leakage rate into the gas circulation system, detached from processes that affect the oxygen content, such as increased oxygen absorption in the case of a heated construction platform or a heated powder bed in general, whether due to an energy input during production or an external heat source . According to the invention, a measurement and evaluation of an effective leak rate of oxygen, nitrogen or water, measured z. B. in ppmv / min, after a (protective) gas atmosphere has been built up in the manufacturing chamber, the additive manufacturing process itself does not take place and z. B. a preheating at the time of measurement is inactive or active to a tolerable extent.
Die nachfolgenden Erläuterungen zur Messung einer Einströmleckrate bezieht sich meist beispielhaft auf die Messung eines Sauerstoffgehalts in der Fertigungskammer. Jedoch kann die Leckrate gleichermaßen basierend auf anderen Gasarten/Gaskomponenten(Bestandteilen) des die Fertigungsatmosphäre bildenden Gases (allgemein auch als Schutzgasatmosphäre bezeichnet) durchgeführt werden. Z. B. kann die Entwicklung eines Stickstoffanteils oder eines Wasseranteils in der Fertigungsatmosphäre vermessen werden.The following explanations regarding the measurement of an inflow leak rate usually refer to the measurement of an oxygen content in the production chamber as an example. However, the leakage rate can be equally performed based on other types of gas/gas components (ingredients) of the gas constituting the manufacturing atmosphere (also commonly referred to as protective gas atmosphere). For example, the development of a proportion of nitrogen or a proportion of water in the production atmosphere can be measured.
Bei Fertigungsprozessen sind z. B. sehr kleine Sauerstoffgehalte immer dann notwendig, wenn ein Bauteil Sauerstoff durch Oxidation binden kann, wodurch eine Bauteilqualität beeinträchtigt werden kann, oder wenn Pulvermaterial während des Fertigungsprozesses Sauerstoff durch Oxidation binden kann, wodurch eine Wiederverwendbarkeit des Pulvermaterials beeinträchtigt werden kann.In manufacturing processes z. For example, very small oxygen contents are always necessary when a component can bind oxygen through oxidation, which can impair component quality, or when powder material can bind oxygen through oxidation during the manufacturing process, which can impair reusability of the powder material.
Die Neigung, Sauerstoff zu binden, ist sowohl abhängig vom Werkstoff (Pulvermaterial) als auch von der Temperatur. So können Titanlegierungen, die für das einem Fertigungsprozess zugrundeliegende Pulvermaterial verwendet werden können, z. B. eine große Sauerstoffaffinität aufweisen. So kann Sauerstoff in einem Kristallgitter einer Titanlegierung eingebaut werden, ohne dass sich eine passivierende Oxidschicht ausbildet, wie dies z. B. bei Aluminiumlegierungen der Fall ist. Die Affinität kann mit zunehmender Temperatur steigen. Höhere Temperaturen im Bereich von z. B. größer 473 K können sich in der Fertigungskammer und insbesondere im Bauteil bzw. Pulverbett ergeben, wenn Energie (z. B. als Laserstrahl) eigestrahlt wird, eine Vorwärmung der Bauplattform und/oder des Pulvermaterials vorgenommen wird oder ein prozessinduzierter Wärmestau im Bauteil während des Schichtaufbaus eintritt.The tendency to bind oxygen depends both on the material (powder material) and on the temperature. For example, titanium alloys that can be used for the powder material on which a manufacturing process is based, e.g. B. have a high oxygen affinity. In this way, oxygen can be incorporated into a crystal lattice of a titanium alloy without a passivating oxide layer forming, as is the case, for example, in B. is the case with aluminum alloys. The affinity can increase with increasing temperature. Higher temperatures in the range of z. B. greater than 473 K can occur in the production chamber and in particular in the component or powder bed if energy (e.g. as a laser beam) is irradiated, the construction platform and/or the powder material is preheated or a process-induced heat build-up in the component during of the layer structure occurs.
Die Aufnahme von z. B. Sauerstoff im Bauteil/Pulvermaterial kann dazu führen, dass der gesamte im Gaskreislauf vorliegende Sauerstoff im erwärmten Bauteil und/oder Pulvermaterial gebunden wird. Der aus der Fertigungsatmosphäre entfernte Sauerstoff umfasst dabei zum einen den initialen Restsauerstoffgehalt, der in der Gaszusammensetzung der Fertigungsatmosphäre initial vorliegt, d.h., nachdem die Fertigungsatmosphäre als „Schutzgasatmosphäre“ aufgebaut wurde. Zum anderen kann der aufgrund von Leckagen im Gaskreislaufsystem kontinuierlich einströmende Sauerstoff (gegeben durch eine „mechanisch“ vorliegende Einströmleckrate des Gaskreislaufsystems) aus der Fertigungsatmosphäre entfernt werden. Je nach Prozessbedingungen (Temperatur, Bauteilgröße, Pulvertyp, Pulveroberfläche) kann ein während des Fertigungsprozesses messbarer Sauerstoffgehalt (Volumenmischungsverhältnis) bis auf wenige ppmv, insbesondere auch Null ppmv abfallen. Letzteres ist insbesondere dann der Fall, wenn die Einströmleckrate an Sauerstoff in den Gaskreislauf kleiner ist, als die Bindungsrate im Bauteil, Pulvermaterial, erwärmten Komponenten der Fertigungsvorrichtung usw. D.h., ein Restsauerstoffgehalt in der Fertigungsatmosphäre kann so gering werden, dass eine Sensitivität üblicher Sauerstoffsensoren diesen nicht mehr erfassen kann. Die gleiche Situation kann sich bei sehr kleinen initialen Sauerstoffgehalten und sehr geringen Leckraten ergeben. Im Ergebnis kann eine Messung während eines Fertigungsprozesses also quasi keinen Sauerstoffgehalt anzeigen, obwohl dennoch kontinuierlich Sauerstoff vom Bauteil und Pulvermaterial aufgenommen wird.The recording of z. B. Oxygen in the component/powder material can result in all of the oxygen present in the gas circuit being bound in the heated component and/or powder material. The oxygen removed from the production atmosphere includes the initial residual oxygen content that is initially present in the gas composition of the production atmosphere, ie after the production atmosphere has built up as a “protective gas atmosphere”. became. On the other hand, the oxygen continuously flowing in due to leaks in the gas circulation system (given by a "mechanical" existing inflow leakage rate of the gas circulation system) can be removed from the production atmosphere. Depending on the process conditions (temperature, component size, powder type, powder surface), an oxygen content (volume mixing ratio) that can be measured during the production process can drop to a few ppmv, in particular zero ppmv. The latter is the case in particular when the inflow leakage rate of oxygen into the gas circuit is lower than the binding rate in the component, powder material, heated components of the production device, etc. Ie, a residual oxygen content in the production atmosphere can become so low that a sensitivity of conventional oxygen sensors can no longer grasp. The same situation can arise with very low initial oxygen levels and very low leak rates. As a result, a measurement during a production process can show virtually no oxygen content, although oxygen is still continuously being absorbed by the component and powder material.
Unter der Annahme, dass eine Sensitivität des Messgeräts (Gassensor) zum Messen eines Volumenanteils einer Gaskomponente wie Sauerstoff geeignet ist, einen (Sauerstoff-) Gehalt von Null ppmv zu messen (wobei „Null ppmv“ durch einen minimal messbaren Wert des Messgeräts ausgetauscht werden kann), können angesichts der obigen Analyse die folgenden Schlüsse gezogen werden:
- (1) Wird ein Restsauerstoffgehalt im Gaskreislauf während des Fertigungsprozesses gemessen - d.h., liegt ein Restsauerstoffgehalt vor, der größer als die Messgrenze ist, hier z. B. größer Null ppmv -, ist das Messergebnis nicht ausreichend, um eine nachteilige/ungewollte Sauerstoffaufnahme im Bauteil und Pulvermaterial zu vermeiden. Vielmehr ist die Leckrate sogar größer als die Bindungsrate. Eine Vergrößerung des Sauerstoffgehalts bis zum Umgebungssauerstoffgehalt könnte zwar in diesem Fall durch die Zufuhr von frischem Schutzgas mit einem geringen Sauerstoffanteil unterbunden werden, dies erhöht allerdings die Prozesskosten.
- (2) Wird kein Restsauerstoffgehalt im Gaskreislauf während des Fertigungsprozesses gemessen - d.h., es wird eine Einhaltung eines maximal zulässigen Restsauerstoffgehalts (oder auch z. B. Null ppmv) im Gaskreislauf während des Fertigungsprozesses gemessen -, ist dies Messergebnis nicht zwingend dahingehend aussagekräftig, dass eine nachteilige/ungewollte Sauerstoffaufnahme im Bauteil und Pulvermaterial vermieden wird. Die Leckrate ist nun zwar kleiner als die Bindungsrate, aber trotzdem kann die Menge an absorbierten Sauerstoff zu hoch sein. Insbesondere in Fertigungsprozessen mit Vorwärmung kann eine Bindungsrate so groß sein, dass auch bei gemessenen Null ppmv in der Fertigungsatmosphäre eine Zunahme des Sauerstoffgehalts im Bauteil/Pulvermaterial feststellbar sein kann. D.h., je höher die Bindungsrate in der Fertigungskammer, desto höher kann eine vorliegende Leckrate sein, ohne dass ein Sauerstoffgehalt (von größer Null ppmv) in der Fertigungskammer gemessen würde.
- (1) If a residual oxygen content is measured in the gas circuit during the manufacturing process - ie the residual oxygen content is greater than the measurement limit, here e.g. B. greater than zero ppmv -, the measurement result is not sufficient to avoid disadvantageous / unwanted oxygen absorption in the component and powder material. Rather, the leak rate is even greater than the binding rate. In this case, an increase in the oxygen content up to the ambient oxygen content could be prevented by supplying fresh protective gas with a low oxygen content, but this increases the process costs.
- (2) If no residual oxygen content is measured in the gas circuit during the manufacturing process - i.e. compliance with a maximum permissible residual oxygen content (or e.g. zero ppmv) is measured in the gas circuit during the manufacturing process - this measurement result is not necessarily meaningful in that a disadvantageous/unwanted oxygen absorption in the component and powder material is avoided. The leak rate is now smaller than the binding rate, but the amount of oxygen absorbed can still be too high. In particular in manufacturing processes with preheating, a binding rate can be so high that an increase in the oxygen content in the component/powder material can be detected even when the measured ppmv in the manufacturing atmosphere is zero. That is, the higher the binding rate in the processing chamber, the higher an existing leak rate can be without an oxygen content (greater than zero ppmv) being measured in the processing chamber.
Um eine unzulässige Zunahme des z. B. Sauerstoffgehalts im Bauteil, Pulvermaterial usw. zu verhindern, haben die Erfinder nun erkannt, dass die Leckrate an Sauerstoff, welche in erster Näherung ein Parameter des Gaskreislaufs im Gaskreislaufsystem ist, unterhalb eines definierten Grenzwerts liegen sollte. Jedoch kann eine Einströmleckrate wie erläutert während des Fertigungsprozesses nicht aussagekräftig gemessen werden, da der eindringende Sauerstoff zumindest teilweise direkt gebunden wird und somit nicht mehr messtechnisch erfassbar ist. Mit anderen Worten haben die Erfinder erkannt, dass während des Fertigungsprozesses eine Aussage über die Situation des z. B. Sauerstoffgehalts nicht getroffen werden kann.To an impermissible increase in z. B. to prevent oxygen content in the component, powder material, etc., the inventors have now recognized that the leak rate of oxygen, which is a parameter of the gas cycle in the gas cycle system to a first approximation, should be below a defined limit value. However, as explained, an inflow leak rate cannot be meaningfully measured during the manufacturing process, since the penetrating oxygen is at least partially bound directly and can therefore no longer be measured. In other words, the inventors have recognized that during the manufacturing process, a statement about the situation of z. B. oxygen content can not be met.
Die Erfinder schlagen nun vor, eine (separate) Messung der Einströmleckrate durchzuführen, nachdem die Schutzgasatmosphäre aufgebaut wurde, aber der Fertigungsprozess und insbesondere die Vorwärmung noch nicht gestartet wurden. Zu diesem Zeitpunkt kann die Messung der Einströmleckrate unverfälscht von absorbierenden Effekten durchgeführt werden. Das vorgeschlagene Vorgehen ermöglicht es, experimentell und/oder theoretisch bestimmte Grenzwerte für eine Leckrate (hierin auch als Prüf-Schwellwert bezeichnet) bei Fertigungsprozessen einzuhalten. Der Prüf-Schwellwert kann jeweils spezifisch für Prozessbedingungen, die einen Pulvertyp und ein Ausmaß eines temperierbaren Oberflächenanteils in der Fertigungskammer etc. umfassen, festgelegt werden. Beispielsweise kann ein Prüf-Schwellwert für z.B. Sauerstoff als der Messung zugrunde liegende Gaskomponente in einem Bereich von 10 ppmv/h bis 300 ppmv/h liegen.The inventors now propose carrying out a (separate) measurement of the inflow leak rate after the protective gas atmosphere has been built up, but the manufacturing process and in particular the preheating have not yet started. At this time, the measurement of the inflow leakage rate can be performed uncontaminated by absorbing effects. The proposed procedure makes it possible to adhere to experimentally and/or theoretically determined limit values for a leak rate (also referred to herein as test threshold value) in manufacturing processes. The test threshold value can be set specifically for process conditions, which include a powder type and an extent of a temperature-controlled surface area in the production chamber, etc. For example, a test threshold value for, for example, oxygen as the gas component on which the measurement is based can be in a range from 10 ppmv/h to 300 ppmv/h.
Eine Freigabe für einen Beginn eines Fertigungsprozesses erfolgt nur dann, wenn eine unter den obigen Bedingungen gemessene Einströmleckrate kleiner als ein jeweils vorgegebener Grenzwert ist oder eine explizite Freigabe vom Bediener gegeben wird.A start of a production process is only released if an inflow leak rate measured under the above conditions is less than a respectively specified limit value or an explicit release is given by the operator.
Ergänzend kann die Einströmleckrate nach Abschluss des Fertigungsprozesses und nach dem Abkühlen der Bauplattform/des gefertigten Bauteils ein weiteres Mal bestimmt werden, um eine mögliche Änderung der Leckrate während des Prozesses zu überprüfen und so die erzeugten Bauteile hinsichtlich der Qualität bezüglich z. B. des Merkmals Sauerstoffverunreinigung zu klassifizieren. Auch eine derartige Entwicklung der Leckrate während des Fertigungsprozesses kann während des Fertigungsprozesses nicht festgestellt werden bzw. nur festgestellt werden, wenn ein gemessener Volumenanteil sich im Fertigungsprozess wesentlich ändert, z. B. von 0 ppmv auf 10 ppmv ansteigt.In addition, the inflow leak rate can be determined again after the end of the manufacturing process and after the build platform/the manufactured component has cooled down in order to check for a possible change in the leak rate during the process and thus to assess the quality of the components produced with regard to e.g. B. the feature oxygen contamination to classify. Such a development of the leak rate during the manufacturing process cannot be determined during the manufacturing process or can only be determined if a measured volume fraction changes significantly during the manufacturing process, e.g. B. increases from 0 ppmv to 10 ppmv.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die
Das Aufbaumaterial ist z. B. ein metallisches Pulver aus einer Titanlegierung oder einer Refraktärlegierung und wird hierin allgemein als Pulvermaterial 5 bezeichnet. Bei einem generativen Fertigungsprozess wird das Pulvermaterial 5 mit einem Energiestrahl schichtweise verfestigt. Der Energiestrahl wird mit einem Bestrahlungssystem 7, beispielsweise als Laserstrahl einer Laserstrahlquelle, erzeugt. Das Bestrahlungssystem 7 umfasst ferner z. B. eine Scannereinrichtung, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl über das Pulverbett zu führen. Der Energiestrahl schmilzt das Pulvermaterial 5 auf, sodass sich nach dem Verfestigen der Schmelze eine (weitere) Materialschicht des Bauteils 5 ausbildet. Entsprechend wird Energie und damit Wärme in des Pulverbett bzw. das Bauteil während des Fertigungsprozesses eingetragen.The construction material is z. B. a metallic powder of a titanium alloy or a refractory alloy and is referred to herein generally as
Die Fertigungsvorrichtung 1 umfasst ein Hauptgehäuse 11, das eine Fertigungskammer 13 für den Fertigungsprozess (beispielsweise ein LMF-Prozess) bereitstellt. In den
Das Hauptgehäuse 11 weist eine Frontwand 15, eine Rückwand 17, Seitenwände 19A, 19B und eine Decke 21 auf, die zusammen mit einer Arbeitsfläche 23 (als Boden) die Fertigungskammer 13 definieren. Eine Tür 15A in der Frontwand 15 ermöglicht einen Zugang zur Fertigungskammer 13. Ein Bediener kann z. B. die notwendigen Vorbereitungsschritte wie ein Reinigen des Fertigungsraums 13 und ein (Wieder-) Befüllen eines Pulvervorratsbehälters durch die Tür 15A vornehmen oder nach dem Fertigungsprozess das fertiggestellte Bauteil 3 durch die Tür 15A entnehmen.The
Der Fertigungsvorgang findet in einem Baubereich 23A auf der Arbeitsfläche 9 statt. Der Baubereich 23A ist in
Im Baubereich 23A findet der Bestrahlungsvorgang zur Herstellung des Bauteils 3 statt. Hierzu ist im Baubereich 23A eine Bauplattform 27 auf einer Bodenplatte 29A eines Bauzylinders 29 angeordnet, um in der Höhe (in
Ein generativer Fertigungsprozess umfasst zusammenfassend ein wiederholtes Absenken der Bauplattform 27 im Bauzylinder 29, ein Auftragen einer frischen Pulverschicht im Baubereich 23A und ein Verschmelzen des Pulvermaterials 5 gemäß einem auf einer Schichtmodellstruktur basierenden Bestrahlungsplan des Bauteils 5.In summary, a generative manufacturing process comprises repeated lowering of the
Der Fertigungsprozess findet in einer Fertigungsatmosphäre statt, die in der Fertigungskammer 13 mit einem Gaskreislaufsystem 41 eingestellt und geregelt werden kann. Parameter der Fertigungsatmosphäre umfassen eine geeignete Zusammensetzung des in der Fertigungskammer 13 vorliegenden Gasgemisches (allgemein auch als Schutzgas bezeichnet) und einen einzustellenden Überdruck in der Fertigungskammer 13. Das Gaskreislaufsystem 41 erlaubt es, die Fertigungskammer 13 mit z. B. inertem Gas wie Argon oder Stickstoff während des Fertigungsprozesses kontinuierlich zu spülen. Eine kontrollierte Fertigungsatmosphäre kann eine Qualität des gefertigten Bauteils verbessern, wenn z. B. eine Oxidation im Schmelzbad besser kontrolliert, insbesondere geringgehalten, werden kann. Allgemein ist das Gaskreislaufsystem 41 dazu ausgebildet, Gas durch die Fertigungskammer zirkulieren zu lassen, wobei dies bei einem leichten Überdruck zur Umgebungsatmosphäre erfolgt.The manufacturing process takes place in a manufacturing atmosphere that is set in the
In den
Für die Zirkulation des Gases umfasst das Gaskreislaufsystem 41 eine Pumpe 47 (Lüfter/Gebläse), die mit der Fertigungskammer 13, insbesondere den Auslassöffnungsstrukturen 45A und den Absaugöffnungsstrukturen 45B, fluidverbunden ist. Die Pumpe 47 erzeugt einen Druckanstieg an einer Pumpenausgangsseite 47A derart, dass in der Fertigungskammer 17 ein Überdruck von zum Beispiel einigen 100 Pa (beispielsweise 500 Pa bis 1.000 Pa, beispielsweise 2.000 Pa, im Allgemeinen weniger als 10.000 Pa) über Umgebungsdruck vorliegt.For the circulation of the gas, the gas circulation system 41 comprises a pump 47 (fan/blower) which is fluidly connected to the
Das Gaskreislaufsystem 41 umfasst ferner eine Filtereinheit 49. In der dargestellten beispielhaften Anordnung ist die Filtereinheit 49 mit der Absaugöffnungsstruktur 45B in der Rückwand 17 und der Pumpe 47 über Leitungen 51 fluidverbunden. Die Filtereinheit 49 weist z. B. ein Feinstfilter zur Entfernung von Partikeln aus dem zirkulierenden Gas auf. Optional kann zusätzliche Feuchtigkeit z. B. durch eine Kühlfalle in der Filtereinheit 49 aus dem Gasstrom entfernt werden. Alternativ kann das Gas durch Überleitung des Gases über ein Trocknungsmedium Feuchtigkeit entzogen werden.The gas circulation system 41 further comprises a
Die verschiedenen Komponenten und die Verrohrung führt zu einem Druckabfall entlang des Gaskreislaufs, wobei gegebenenfalls auch ein (leichter) Unterdruck im Vergleich zum Umgebungsdruck - insbesondere auf einer Saugseite 47B der Pumpe 47 - entstehen kann.The various components and the piping lead to a pressure drop along the gas circuit, with a (slight) negative pressure compared to the ambient pressure possibly also occurring—in particular on a suction side 47B of the
Ferner umfasst das Gaskreislaufsystem 41 einen Schutzgasanschluss 53, der mit einer internen oder externen Schutzgasquelle fluidverbunden ist, siehe z. B. einen Schutzgastank 55 in
Zur Einstellung und Überwachung der Fertigungsatmosphäre umfasst das Gaskreislaufsystem 41 einen Drucksensor S_P zum Messen eines im Gaskreislaufsystem 41 vorliegenden Drucks. Ferner umfasst das Gaskreislaufsystem 41 einen Gassensor S_G zum Messen eines Volumenanteils einer Gaskomponente des zirkulierten Gases sowie einen Temperatursensor S T. In
In einigen Ausführungsformen können ferner weitere Ventile wie ein Ablassventil 57 vorgesehen werden.In some embodiments, additional valves such as a
Zu Steuerung der hierin offenbarten Verfahren umfasst die Fertigungsvorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 61 (schematisch in
Wie in
Die mindestens eine Speichervorrichtung 61B speichert z. B. Befehle, die bei Ausführung durch den mindestens einen Mikroprozessor 61A die Fertigungsvorrichtung 1 veranlassen, Schritte der hierin vorgeschlagenen Verfahren durchzuführen. In der Speichervorrichtung 61B ist hierfür z. B. ein Bestrahlungsplan abgelegt, der Querschnittsinformation des Bauteils 3 umfasst, sodass ein Fertigungsvorgang nach dem Bestrahlungsplan abgearbeitet werden kann. Die mindestens eine Speichervorrichtung 61B speichert z. B. ferner vorgegebene Steuerungswerte wie einen Prüf-Schwellwert oder Leckraten-Schwellwert sowie die Fertigungsatmosphäre charakterisierende Werte wie einen Leckraten-Prüfwert und/oder einen Fertigungsprozess-Prüfwert. Gespeicherte Befehle können unter anderem Befehle umfassen, die bei Ausführung durch den mindestens einen Mikroprozessor 61A veranlassen, dass ein Fertigungsprozess gemäß einem Fertigungsplan durchgeführt wird und insbesondere dass die Wärmequelle aktiviert, teilaktiviert oder deaktiviert wird, die Pumpe 47 Gas durch die Fertigungskammer zirkuliert, Messdaten des Drucksensors S P eingelesen werden, Volumenanteildaten des Gassensors S_G eingelesen werden, eine zeitliche Entwicklung des Volumenanteils der Gaskomponente mit einem Prüf-Schwellwert, der eine zulässige Einströmleckrate angibt, vergleicht und/oder basierend auf dem Vergleich ein Leckraten-Prüfwert erzeugt wird.The at least one
Die generative Fertigung wird von den Parametern des Pulvermaterials 5 hinsichtlich der Wechselwirkung mit dem Energiestrahl wesentlich mitbestimmt. Da das Pulvermaterial 5 sowie bereits gefertigte Schichten des Bauteils 3 während des Fertigungsprozesses der Fertigungsatmosphäre ausgesetzt sind, kann - wie bereits eingangs angesprochen - die generative Fertigung dadurch beeinflusst werden, dass Gaskomponenten während des Fertigungsprozesses vom gefertigten Bauteil 3 oder dem Pulvermaterial 5 aufgenommen werden. Dies ist in
Während der generativen Fertigung kann in einem Regelkreislauf ein Überdruck in der Fertigungskammer von einigen 100 Pa (beispielsweise 500 Pa bis 1.000 Pa, beispielsweise 2.000 Pa, im Allgemeinen kleiner 10.000 Pa) aufrechterhalten werden. In
Angestrebt wird ferner, in der Fertigungskammer den Sauerstoffanteil auf allgemein kleiner 1.000 ppmv, z. B. kleiner 300 ppmv oder kleiner 150 ppmv, zu begrenzen. Ein zu hoher Sauerstoffanteil kann ebenfalls durch die Zugabe von frischem Schutzgas, das einen geringeren Sauerstoffgehalt (zum Beispiel kleiner 10 ppmv) aufweist, aus dem Schutzgastank 55 ausgeglichen werdenThe aim is also to reduce the oxygen content in the production chamber to generally less than 1,000 ppmv, e.g. B. less than 300 ppmv or less than 150 ppmv to limit. An excessively high proportion of oxygen can also be compensated for from the protective gas tank 55 by adding fresh protective gas which has a lower oxygen content (for example less than 10 ppmv).
Eine Leckage im Gaskreislaufsystem 41 kann neben dem Verlust von zirkulierendem Gas auch zu einem Eindiffundieren von Gas aus der Umgebung, u. a. auch Sauerstoff, in den Gaskreislauf führen. Dies ist in
Wie eingangs erläutert wurde, erfolgt die Sauerstoffaufnahme im Bauteil/Pulvermaterial (Titan-Heizplatte) während der Fertigung und insbesondere im geheizten Zustand mit einer undefinierten Rate. Sie ist entsprechend schwer quantifizierbar. Zwar kann während eines Fertigungsprozesses, insbesondere mit aktivierter Wärmequelle ein ausreichend geringer Sauerstoffanteil (z. B. Null ppmv) gemessen werden. Jedoch kann sich ein als ausreichend gering erscheinender Sauerstoffanteil einstellen, obwohl ein Eindiffundieren von Sauerstoff in das Gaskreislaufsystem 41 in einem unerwünschten Ausmaß erfolgt, da der eintretende Sauerstoff direkt im Bauteil/Pulvermaterial absorbiert wird. Entsprechend kann wie eingangs erläutert aus einer Messung, die während des Fertigungsprozesses durchgeführt wird, nicht zwangsweise ein Rückschluss auf einen in der Fertigungskammer 13 vorliegenden Sauerstoffanteil gezogen werden.As explained at the beginning, the oxygen absorption in the component/powder material (titanium heating plate) occurs at an undefined rate during production and especially when heated. It is correspondingly difficult to quantify. A sufficiently low proportion of oxygen (e.g. zero ppmv) can be measured during a manufacturing process, in particular with an activated heat source. However, an oxygen proportion that appears to be sufficiently low can occur, although oxygen diffuses into the gas circulation system 41 to an undesirable extent, since the oxygen entering is directly absorbed in the component/powder material. Correspondingly, as explained at the outset, a measurement that is carried out during the production process does not necessarily allow a conclusion to be drawn as to the oxygen content present in the
In Zusammenhang mit dem Flussdiagramm der
Das Verfahren wird vor einem Beginn einer generativen Fertigung eines Bauteils durchgeführt. D.h., es wird insbesondere vor einem Einstellen der Prozessbedingungen wie ein Aktivieren einer Wärmequelle wie ein Heizstrahler, ein Laser, ein Infrarotstrahler oder eine (Vor-) Heizvorrichtung der Bauplattform durchgeführt; mit anderen Worten erfolgt die Messung im kalten Zustand der Fertigungsvorrichtung. Es wird angemerkt, dass die Wärmequelle alternativ auch aktiviert oder teilweise aktiviert werden kann, solange eine Grenztemperatur nicht überschritten wird, unter der eine Absorption einer Gaskomponente vernachlässigbar ist. Beispielsweise kann für ein Pulvermaterial (z.B. eine Titanlegierung oder eine Refraktärlegierung) die Grenztemperatur in einem Bereich von 373 K bis 473 K gewählt werden, die bei derartigen Temperaturen des Pulvermaterials die Absorption unter Umständen größtenteils vernachlässigt werden kann.The method is carried out before the start of additive manufacturing of a component. In other words, before the process conditions are set, a heat source such as a radiant heater, a laser, an infrared radiator or a (pre-)heating device of the construction platform is activated in particular; in other words, the measurement takes place in the cold state of the production device. It is noted that the heat source can alternatively also be activated or partially activated as long as a limit temperature is not exceeded, below which absorption of a gas component is negligible. For example, for a powder material (eg, a titanium alloy or a refractory alloy), the limit temperature be selected in a range from 373 K to 473 K, which at such temperatures of the powder material the absorption can be largely neglected under certain circumstances.
In einem Schritt 101 (Aktivieren einer reinen Gaszirkulation) aktiviert die Steuerungseinheit 61 die Pumpe 47, sodass das im Gaskreislaufsystem 41 befindende Gas im Gaskreislaufsystem 41 zirkuliert und durch die Fertigungskammer 13 strömt.In a step 101 (activation of pure gas circulation), the
In einem Schritt 103 (Einstellen eines initialen Überdrucks) stellt die Steuerungseinheit 61 (oder ein Bediener) einen vorbestimmten Überdruck im Gaskreislaufsystem 41 und somit insbesondere in der Fertigungskammer 13 ein. Der Drucksensor S_P liefert einen entsprechenden Druckwert an die Steuerungseinheit 61, sodass diese erkennt, dass ein angestrebter Überdruck im Gaskreislaufsystem 41 vorliegt und die Leckraten-spezifischen Schritte der Messung begonnen werden können. Alternativ kann letzteres von einem Bediener überwacht werden, bevor dieser die Leckraten-spezifischen Schritte der Messung veranlasst.In a step 103 (setting an initial overpressure), the control unit 61 (or an operator) sets a predetermined overpressure in the gas circulation system 41 and thus in the
In einem Schritt 105 (Einstellen eines initialen Volumenanteils) stellt die Steuerungseinheit 61 (oder ein Bediener) einen initialen Volumenanteil einer Gaskomponente des zirkulierten Gases, beispielsweise ein Start-Volumenanteil an Sauerstoff im zirkulierten Gas, ein. Hierzu benötigte Messungen können mit dem Gassensor S_G erfolgen, der entsprechende Messwerte an die Steuerungseinheit 61 ausgibt. Der eingestellte initiale Volumenanteil liegt in einem gut zugänglichen Messbereich des Gassensors S_G. Die Einstellung kann beispielsweise von einer Zugabe von Argon als Schutzgas in das Gaskreislaufsystem 41 zur Absenkung des Volumenanteils begleitet werden. Der eingestellte Initiale Volumenanteil liegt beispielsweise insbesondere oberhalb eines Betriebswerts, der eine Obergrenze für einen zulässigen Volumenanteil während der generativen Fertigung des Bauteils darstellt. Dies ist möglich, da zu diesem Zeitpunkt keine Fertigung erfolgt. Ziel des eingestellten initialen Volumenanteils ist es, eine genaue Messung einer zeitlichen Entwicklung zu ermöglichen.In a step 105 (setting an initial volume fraction), the control unit 61 (or an operator) sets an initial volume fraction of a gas component of the circulated gas, for example, a starting volume fraction of oxygen in the circulated gas. Measurements required for this can be carried out with the gas sensor S_G, which outputs corresponding measured values to the
In einem Schritt 107 (Messen eines zeitlichen Anstiegs des Volumenanteils) erfasst der Gassensor S_G kontinuierlich oder in Zeitabständen den Volumenanteil der Gaskomponente (beispielsweise der Sauerstoff-Volumenanteil in ppmv) in der Fertigungskammer 13. Dabei wird das Zirkulieren das Gases im Gaskreislaufsystem 41 bei thermischen Randbedingungen fortgesetzt, bei denen eine Absorption der Gaskomponente im Pulvermaterial den zeitlichen Anstieg des Volumenanteils im Wesentlichen nicht beeinflusst. Basierend auf den gemessenen Volumenanteilen kann ein zeitlicher Anstieg des Volumenanteils gemessen werden (z. B. X ppmv/min). Die Messung erfolgt über einige Minuten, beispielsweise 5, 10 oder 15 Minuten.In a step 107 (measuring an increase in the volume fraction over time), the gas sensor S_G continuously or at time intervals detects the volume fraction of the gas component (e.g. the oxygen volume fraction in ppmv) in the
Es wird angemerkt, dass die Messung des zeitlichen Anstiegs bei geregeltem oder ungeregeltem Überdruck in der Fertigungskammer durchgeführt werden kann. Eine Regelung ist insbesondere dann nicht nachteilig, wenn der aufgrund der Regelung mit dem Schutzgastank zugeführte Volumenanteil an zu messender Gaskomponente vernachlässigbar ist.It is noted that the time rise measurement can be performed with controlled or uncontrolled positive pressure in the manufacturing chamber. Regulation is not disadvantageous in particular if the volume fraction of the gas component to be measured that is supplied as a result of the regulation with the inert gas tank is negligible.
Wesentlich ist jedoch, dass eine Regelung des Volumenanteils nicht erfolgt, denn es soll ja gerade eine Entwicklung des Volumenanteils aufgrund von einer mechanisch vorliegenden Leckage-Situation des Gaskreislaufsystems 41 vorgenommen werden.However, it is essential that the volume fraction is not regulated, since the volume fraction is to be developed on the basis of a mechanically present leakage situation in the gas circuit system 41 .
In einem Schritt 109 (Vergleichen mit Prüf-Schwellwert) vergleicht die Steuerungseinheit 61, insbesondere der Prozessor 61A, den gemessenen zeitlichen Anstieg des Volumenanteils mit einem Prüf-Schwellwert. Der Prüf-Schwellwert gibt eine zulässige Einströmleckrate an und wird beispielsweise vorbereitend für die spezifischen Parameter des Fertigungsprozesses (Prozessbedingungen wie z. B. Typ des Pulvermaterials und Typ der Fertigungsvorrichtung, insbesondere ein Ausmaß eines temperierbaren Oberflächenanteils) bestimmt und in der Speichervorrichtung 61B abgelegt.In a step 109 (comparison with test threshold value), the
In einem Schritt 111 (Erzeugen eines Leckraten-Prüfwerts) erzeugt die Steuerungseinheit 61, insbesondere der Prozessor 61A, basierend auf dem Vergleich einen Leckraten-Prüfwert und gibt diesen aus (beispielsweise zur Überprüfung durch einen Bediener) und/oder legt ihn in der Speichervorrichtung 61B ab.In a step 111 (generating a leak rate test value), the
In einem Schritt 113 (Bewerten des Leckraten-Prüfwerts) kann bestimmt werden, ob oder ob nicht der Leckraten-Prüfwert eine Durchführung eines Fertigungsprozesses erlaubt.In a step 113 (evaluation of the leak rate test value), it can be determined whether or not the leak rate test value allows a manufacturing process to be carried out.
Ist dies nicht der Fall, kann in einem Schritt 115 (Ausgeben eines Prüfsignals) ein Prüfsignal ausgegeben werden, das angibt, dass eine Überprüfung des Gaskreislaufsystems hinsichtlich möglicher Lecke vorzunehmen ist.If this is not the case, in a step 115 (output of a test signal) a test signal can be output which indicates that the gas circuit system must be checked for possible leaks.
Ist eine Durchführung eines Fertigungsprozesses freigegeben, veranlasst die Steuerungseinheit 61 im Schritt 117 (vollständiges Aktivieren der Fertigungsvorrichtung 1), dass die Prozessbedingungen eingenommen werden; insbesondere kann ein Volumenanteil der Gaskomponente in der Fertigungsatmosphäre auf einen Sollwert durch Zugabe von Schutzgas reduziert werden und eine optionale Wärmequelle kann aktiviert werden.If execution of a manufacturing process is released, the
In einem Schritt 119 (generativen Fertigung eines Bauteils) veranlasst die Steuerungseinheit 61 einen generativen Fertigungsprozess gemäß einem Bestrahlungsplan.In a step 119 (additive manufacturing of a component), the
Nach Abschluss des Fertigungsprozesses wird in einem Schritt 121 (Abkühlen von Bauteilen und Pulverbett) die Fertigungsatmosphäre/die Fertigungskammer 13 unter einem Temperatur-Schwellwert abgekühlt. Hierzu erhält die Steuerungseinheit 61 vom Temperatursensor S_T z. B. Messdaten zur Temperatur der Fertigungsatmosphäre. Der Temperatur-Schwellwert ist derart gewählt, dass eine Absorption der Gaskomponente im Pulvermaterial den zeitlichen Anstieg des Volumenanteils im Wesentlichen nicht beeinflusst.After completion of the manufacturing process, the manufacturing atmosphere/
Optional kann nun erneut eine Messung der Einströmleckrate gemäß den Schritten 101 bis 111 durchgeführt werden (Schritt 123).Optionally, the inflow leak rate can now be measured again according to
Ein auf diese Weise neu erzeugter Leckraten-Prüfwert kann im erneut durchgeführten Schritt 109 mit einem Leckraten-Schwellwert, der eine zulässige Fertigungsprozess-Einströmleckrate angibt, verglichen werden. Der Leckraten-Schwellwert kann dem Prüf-Schwellwert entsprechen oder beispielsweise etwas größer als dieser gewählt werden.A leak rate check value newly generated in this way can be compared in
In einem Schritt 125 (Bewerten des Leckraten-Prüfwerts) ermittelt die Steuerungseinheit 61 (oder der Bediener) einen Fertigungsprozess-Prüfwert basierend auf dem Vergleich. Der Fertigungsprozess-Prüfwert gibt an, ob der Fertigungsprozess unter der zulässigen (Fertigungsprozess-) Einströmleckrate durchgeführt wurde oder nicht. Der Fertigungsprozess-Prüfwert lässt entsprechend eine Aussage über die Qualität des gefertigten Bauteils 3 zu.In a step 125 (evaluate the leak rate check value), the control unit 61 (or the operator) determines a manufacturing process check value based on the comparison. The manufacturing process check value indicates whether the manufacturing process was performed below the allowable (manufacturing process) inflow leak rate or not. The manufacturing process test value accordingly allows a statement to be made about the quality of the manufactured component 3 .
Vorrichtungen zur generativen Fertigung (z. B. LMF-Maschinen), in denen die hierin beschriebenen Konzepte eingesetzt werden können, umfassen beispielsweise die Anlagen „mysint 100“, „TruPrint 1000“ und „TruPrint 3000“.Devices for additive manufacturing (e.g. LMF machines) in which the concepts described here can be used include, for example, the "mysint 100", "
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly emphasized that all features disclosed in the description and/or the claims are to be regarded as separate and independent from each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the combinations of features in the embodiments and/or the claims must. It is explicitly stated that all indications of ranges or groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention, in particular also as a limit of a range indication.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 2732890 A2 [0002]EP 2732890 A2 [0002]
- WO 2017/220744 A1 [0002]WO 2017/220744 A1 [0002]
- EP 3209446 B1 [0004]EP 3209446 B1 [0004]
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