DE102021124442A1 - Sensoranordnung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (9) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Sensoranordnung (9) umfassend:- ein Sensormodul (90), dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul (90) eindringenden Gasprobe (P) zu detektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal (S) zu generieren,- ein selektives Filterelement (F), ausgelegt zum Filtern der Gasprobe (P), so dass zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen aus der Gasprobe (P) herausgefiltert werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Fertigungsvorrichtung sowie ein Messverfahren mit einer solchen Sensoranordnung.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird, sowie eine solche Vorrichtung und ein Messverfahren mit einer solchen Sensoranordnung.
• Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt (im Folgenden auch „Bauteil“ genannt) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als „Rapid Manufacturing“ bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, ist ein Kernpunkt die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht. In jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Nach einer Abkühlung sind diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper verfestigt. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Materials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden.
• Es ist jedoch zu beachten, dass der Sauerstoffgehalt in der Prozesskammer einen Einfluss auf die Qualität der Bauteile hat. Insbesondere gibt es dabei eine Korrelation zwischen der Porosität von metallischen Bauteilen und der Konzentration von Sauerstoff in der Prozesskammer. Für Bauteile höchster Qualität und Festigkeit sollte aus diesem Grund die Sauerstoffkonzentration während des Bauprozesses in der Prozesskammer gemessen werden und sollte z.B. nicht über 1000 ppm liegen.
• Auch wenn in der Praxis oft in einer Schutzgasatmosphäre im Prozessraum gearbeitet wird, wird diese jedoch in der Regel stets durch Sauerstoff „verunreinigt“. Dies liegt insbesondere daran, dass Sauerstoff durch Undichtigkeiten in das System eindringen kann. Auch wenn der Prozessraum selber oft unter einem leichten Überdruck steht, gibt es im Gesamtsystem in den Zuleitungen bzw. den Filterstellen durchaus Stellen, an denen ein Unterdruck herrschen kann. An diesen Stellen kann z.B. Sauerstoff in das System und durch Gasbewegung auch in den Prozessraum eindringen. Sauerstoff kann aber auch aus Feuchte (Wasserdampf) im System entstehen. In der Regel besteht im Aufbaumaterial eine gewisse Restfeuchte. Diese gelangt durch Verdunstung in den Prozessraum. Im Bereich des Energiestrahls können Wassermoleküle durch dessen hohe Energie und Leistung in Sauerstoff- und Wasserstoffatomen aufgespalten werden, welche dann in Form von molekularem Wasserstoff und Sauerstoff rekombinieren. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Konzentration von atomaren Wasserstoff and atomarem Sauerstoff, welche aus der vom Laser induzierten Aufspaltung von Wasser entstehen, ist es außerdem denkbar, dass atomarer Wasserstoff und atomarer Sauerstoff nicht vollständig rekombinieren und dass aus diesem Grund auch diese atomaren Spezies in der Prozesskammer vorhanden sein können. Insbesondere kann atomarer Wasserstoff die Stabilität einer Messung der Sauerstoffkonzentration negativ beeinflussen, wie unten erläutert.
• Die Sauerstoffkonzentration (aus molekularem Sauerstoff) in dem Prozessraum wird mit einem Sauerstoffsensor gemessen. Es gibt dabei verschiedene Funktionsprinzipien. Insbesondere sind hier amperometrische Sensoren und potentiometrische Sensoren zu nennen. Bei potentiometrischen Sensoren gibt eine Spannung bzw. ein Widerstand die Sauerstoffkonzentration wieder. Bei amperometrischen Sensoren werden Sauerstoffmoleküle an einer Kathode ionisiert und rekombinieren an einer Anode, wodurch ein Strom erzeugt wird, der proportional zur Sauerstoffkonzentration ist.
• Die Messung von Sauerstoff kann unter bestimmten Umständen jedoch fehlerhaft sein, was insbesondere an einer Querempfindlichkeit des Sensors auf Wasserstoff und Wassermoleküle liegt. Diese Stoffe können bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen fehlerhafte Signale im Sensor erzeugen. Diese fehlerhaften Signale sind grundsätzlich Wasser- und Wasserstoffmolekülen zurückzuführen, welche potenziell durch verschiede Mechanismen bzw. chemische Reaktionen das Signal verfälschen können. Sowohl Wasserstoff als auch Wasser können je nach Bestandmaterial von den Elektroden des Sensors adsorbiert werden und dort jeweils in Wasserstoffanionen und -kationen und Hydroxidionen und Wasserstoffanionen aufgespaltet werden. Der adsorbierte Zustand von molekularem Wasserstoff und die entsprechende Aufspaltung in Wasserstoffanionen und -kationen kann je nach Temperatur- und Druckbedingungen den elektrischen Widerstand (und das daraus generierte elektrische Signal) der Elektroden positiv oder negativ beeinflussen. Der gleiche Effekt kann sich auch durch die Absorption von atomarem Wasserstoff ergeben, welcher in der Prozesskammer aus der Aufspaltung von Wasser entstehen kann, wie oben erklärt. Signalinstabilitäten lassen sich also durch die Adsorption von (molekularem oder atomarem) Wasserstoff auf der Elektrodenoberfläche erklären. Darüber hinaus lassen sich die beobachteten Signalunstabilitäten auch durch ein chemisches Gewicht zwischen Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff erklären, das unter den Temperaturbedingungen in der Sensorumgebung und durch die katalytische Wirkung der Sensorelektroden in der Sensorumgebung entsteht.
• Insbesondere Sensoren, die auf dem amperometrischem Prinzip basieren, weisen durch die Querempfindlichkeit prinzipbedingt ein instabiles Signalverhalten auf, wenn die Sauerstoffkonzentration auf niedrige Werte von ca. < 400ppm sinkt, z.B. aufgrund einer Feuchte- oder Wasserstoffanreicherung am Sensor. Der angegebene Wert von 400 ppm ist dabei nicht die gewünschte Sauerstoffkonzentration in dem Prozessraum (der bei ca. 0,1% liegt), sondern die Grenze unter der das Messsignal am Sensor typischerweise instabil wird. Insbesondere kann es bei einer Sauerstoffkonzentration von < 400ppm zu einer wechselseitigen Generierung von Wasser und Wasserstoff/Sauerstoff und dadurch zu einer stark schwankenden Signalcharakteristik kommen.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung bzw. eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein stabiles Signalverhalten selbst bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen zeigt, so dass eine additive Fertigung eines Bauteils stets unter definierten Bedingungen stattfinden kann.
• Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8, und ein Messverfahren gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
• Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung dient einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess („Fertigungsvorrichtung“), in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird. Die Sensoranordnung umfasst die folgenden Komponenten:
• - ein Sensormodul, dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul eindringenden Gasprobe zu detektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal zu generieren,
• - ein selektives Filterelement, ausgelegt zum Filtern der Gasprobe, so dass zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen aus der Gasprobe herausgefiltert werden.
• Die beiden genannten Komponenten können dabei gemeinsam wirkend an bzw. in einem Gehäuse untergebracht sein oder getrennt voneinander, wobei in diesem Falle das Filterelement so angebracht sein muss, dass es die Gasprobe filtern kann. Beispielsweise kann das Sensormodul in einer Gasleitung angeordnet sein und das Filterelement so angebracht sein, dass es den Gasstrom durch die Gasleitung filtert. Selbstverständlich kann die Sensoranordnung noch weitere Komponenten umfassen, z.B. Elemente zur Halterung bzw. Anbringung des Sensors, eine Elektronik zur Verarbeitung der Messsignale (z.B. ein ADC) oder eine Regelvorrichtung zur Regelung des Messbetriebs.
• Ein geeignetes Sensormodul ist im Stand der Technik bekannt. Die Erfindung kann besonders vorteilhaft für amperometrisch oder potentiometisch messende Sensoren angewandt werden, ist aber auch für andere Sensoren vorteilhaft. Die Sensormodule können mit einem Referenzsensor und/oder einer Referenzkomponente ausgestattet sein, die in der Lage sind, eine Referenzmessung durchzuführen. Insbesondere bei potentiometrischen Sensoren ist eine Referenzkammer bzw. das Referenzvolumen im Sensor integriert, wobei das Referenzvolumen unmittelbar im Kontakt mit einer Elektrode steht. Im Folgenden ist mit dem Begriff „Referenzsensor“ auch die „Referenzkomponente“ eines Sensors gemeint. Bei amperometrisch messenden Sensoren umfasst der Referenzsensor und/oder die Referenzkomponente eine elektrochemische Referenzzelle, z.B. eine Feststoffzelle, (z.B. werden zur Messung Feststoffzellen aus Palladium, Rhodium, Rubidium und den entsprechenden Oxiden verwendet) und bei potentiometrisch messenden Sensoren ein Referenzgasvolumen. Ein Referenzsensor und/oder eine Referenzkomponente kann aber auch so angeordnet oder gestaltet sein, dass dessen Gasprobe nicht von dem Filterelement gefiltert wird bzw. durch ein anderes Filterelement gefiltert wird.
• Es sei angemerkt, dass ein Sensor in Abhängigkeit von den im Messbereich vorhandenen Sauerstoffmolekülen sein Sensorsignal generiert. Das Sensorsignal ist damit zunächst von der Menge der Sauerstoffmoleküle abhängig. Da die Messparameter jedoch zumeist bekannt sind (z.B. das Volumen der Gasprobe und deren Druck), kann aus dem Sensorsignal zumeist direkt auf die Sauerstoffkonzentration geschlossen werden, bzw. das Sensorsignal ist direkt ein Maß für die Sauerstoffkonzentration. Bevorzugt ist das Sensorsignal proportional zur Sauerstoffkonzentration.
• Das Sensorsignal kann ein analoges Signal sein, insbesondere eine Spannung oder ein Strom, oder ein digitales Signal, z.B. ein digitaler Zahlenwert. Letzteres kann durch Umsetzung eines analogen Signals mittels eines Analog-Digital Converters (ADC) erreicht werden.
• Das Filterelement ist selektiv, womit gemeint ist, dass es nicht alle Moleküle filtert, sondern selektiv einzelne Molekül-Arten oder eine Gruppe von Molekül-Arten. Diese Molekül-Arten sind zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen. Diese können Störsignale im Sensor hervorrufen, die sich besonders bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen nachteilhaft auswirken können. Werden nun diese Molekül-Arten aus der Gasprobe herausgefiltert, ändert sich die Sauerstoffkonzentration nur unwesentlich, da der größte Anteil der Gasprobe durch das Schutzgas bzw. Inertgas gebildet wird, z.B. Argon oder Stickstoff. Somit können Störanteile im Sensorsignal reduziert werden, ohne die Aussagekraft des Sensorsignals wesentlich zu verfälschen.
• Hierzu sollte beachtet werden, dass insbesondere bei amperometrisch messenden Sensoren Wasser und Wasserstoff zu Störanteilen im Sensorsignal führen. Beispielsweise wird bei einer amperometrischen Nerstzelle eine Spannung an der zwei Platinelektroden angelegt. An der Kathode, die unmittelbar in Kontakt mit der zu messenden Gasprobe steht, werden Sauerstoffmoleküle zu Sauerstoffionen (O^2-) reduziert. Die Sauerstoffionen diffundieren durch ein Festelektrolyt, z.B. eine ZrO₂-Platte, und werden an der Anode oxidiert. Der durch diese Oxidation generierte Strom wird am Amperometer gemessen. Dazu ist eine Referenzmessung notwendig, die z.B. durch eine Pd/PdO Feststoffzelle realisiert wird. Der hier beschriebene Effekt liegt auch bei einem potentiometrischen Sensor vor.
• In dem Prozessraum ist aber nicht nur Sauerstoff vorhanden, sondern auch Wasserstoff und Wasser. Wasser entsteht vor allem aus der Feuchte, die unvermeidbar im Pulver enthalten ist. Einige Metallpulver können auch Wasserstoff enthalten, welches während des Bauprozesses entweichen kann. Sauerstoff kommt in dem Prozessraum in erster Linie hauptsächlich von undichten Stellen des Prozessraumes selbst.
• In einem ersten Schritt wird Wasser (welches vom Pulver entweicht) durch die Strahlung des Energiestrahls (z.B. Laserstrahlung) in Wasserstoff- und Sauerstoffatome gespalten, welche rekombinieren, um molekularer Sauerstoff und molekularer Wasserstoff zu generieren. Wasserstoff und Sauerstoff können in der Prozesskammer bis zum Sensor diffundieren, wobei zu beachten ist, dass Sauerstoff einfacher von Metallkondensaten aufgenommen wird. Es kann also davon ausgegangen werden, dass Sauerstoff und Wasserstoff in der Prozesskammer bzw. am Sensor nicht im Verhältnis 1:2 stehen. Wie vorangehend gesagt stammt der in der Gasprobe im Sensor vorhandene Sauerstoff vorwiegend aus den undichten Stellen des Prozessraums und steht in keinem chemischen Verhältnis zum Wasserstoff, der hauptsächlich von der Aufspaltung von Wasser entsteht bzw. direkt vom Metallpulver entweicht.
• Wasser kann aber auch aus der Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff am Sensor entstehen. Diese Reaktion wird von der hohen Temperatur am Sensor verursacht (die Betriebstemperatur sollte zwischen 300-700°C liegen, um die Diffusion der Sauerstoffionen durch die ZrO₂-Platte zu erlauben). Diese Reaktion führt zu einer Verminderung des gemessenen Stroms am Sensor, weil Sauerstoff von dieser Reaktion verbraucht wird und dieser daraus folgend nicht mehr zur Kathode gelangt.
• Neben Sauerstoff kann Wasserstoff am Sensor zu Wasserstoffionen aufgespalten werden und zu einem Strom zwischen den Elektroden führen. Wenn die Sauerstoffkonzentration deutlich größer als die Wasserstoffkonzentration ist, kann Sauerstoff vom Sensor zuverlässig gemessen werden. Im umgekehrten Fall (H₂-Überschuss) verursacht der Wasserstoff eine Instabilität am Sensor. Wasserstoff kann in zwei unterschiedlichen Zuständen von Platin adsorbiert werden. In einem von diesen Zuständen verursacht die Absorption von Wasserstoff eine Vergrößerung des elektrischen Widerstands von Platin, im anderen eine Verminderung des elektrischen Widerstands. In welchem Zustand sich der adsorbierte Wasserstoff befindet, hängt in erster Linie von der Temperatur ab. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur des Sensors kann Wasserstoff von einem Zustand zum anderen wechseln und zu Signalunstabilitäten führen.
• Des Weiteren kann im Sensor Wasser (H₂O) in Wasserstoffanionen (H⁺) und Hydroxidionen (OH^-) aufgespalten werden. Wenn zumindest eine minimale Konzentration von Wasser am Sensor vorhanden ist (aus dem Aufbaumaterial oder aus der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff), wird das Wasser von Platin adsorbiert. Die entstandenen Ionen verhalten sich analog wie Sauerstoff am Sensor: Wasserstoffanionen (H⁺) werden an der Kathode reduziert und Wasserstoff diffundiert in die Prozesskammer, während Hydroxidionen (OH^-) an der Anode ähnlich wie Sauerstoffionen oxidiert werden. Aufgrund der Oxidation von Hydroxidionen wird ein Strom am Amperometer gemessen, als ob Sauerstoff in der Prozesskammer vorhanden wäre. Dieser Reaktionsverlauf ist äquivalent zu der Elektrolyse von Wasser. Die Konzentration von Sauerstoff wird in diesem Fall überschätzt. In dieser Reaktion wird Wasser verbraucht, außerdem entsteht Wasserstoff in der Prozesskammer, was wieder zu einem instabilen Signal aufgrund der Wasserstoff-Absoption auf Platin führt oder wieder zu einem Verbrauch von Sauerstoff (durch die Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff) und deswegen zu einer Verminderung des Signals am Sensor bzw. zu einer Unterschätzung der Sauerstoffkonzentration.
• Die Hydroxidionen können auch zu einem Strom zwischen den Elektroden führen, der zwar ebenfalls normalerweise weit unter dem Sauerstoff-Signal liegt, bei geringen Sauerstoffkonzentrationen und hohen Wasserkonzentrationen aber auch dominant werden kann.
• Werden nun Wasserstoff und Wasser aus einem Gasvolumen herausgefiltert, welches als Gasprobe in das Sensormodul strömt, dann werden die betreffenden Störanteile im Sensorsignal unterdrückt oder verhindert. Insbesondere wenn sich das Filterelement im Sensormodul zwischen den Elektroden (beim Festelektrolyt) befindet, ist es vorteilhaft, direkt Hydroxidionen herauszufiltern.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) dient zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird. Die Vorrichtung umfasst die folgenden Komponenten:
• - eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial auf das Baufeld,
• - eine Bestrahlungsvorrichtung, um zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten Aufbaumaterial durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl selektiv zu verfestigen, sowie
• - eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.
• Die Zuführvorrichtung (z.B. eine Anordnung zum schichtweisen Auftragen eines Metallpulvers) und die Bestrahlungsvorrichtung (z.B. ein Laser) sind im Stand der Technik bekannt. Die Besonderheit liegt in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die eine bessere Messung der Sauerstoffkonzentration erlaubt. Die Fertigungsvorrichtung kann neben diesen Komponenten noch weitere Komponenten aufweisen, wie sie üblicherweise zur Fertigung vorhanden sind.
• Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die entsprechend koordiniert mit Steuerdaten angesteuert werden können. Lediglich der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z.B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
• Ein erfindungsgemäßes Messverfahren mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfasst die folgenden Schritte:
• - Erzeugen eines Gasstroms in dem Prozessraum der Vorrichtung, so dass durch den Gasstrom eine Gasprobe auf das Sensormodul trifft,
• - Generieren eines Sensorsignals durch das Sensormodul der Sensoranordnung,
• - Optional: Verwenden des Sensorsignals zur Steuerung oder Regelung der Vorrichtung.
• Der Gasstrom kann z.B. durch eine Umwälzpumpe oder eine Pumpe zum Einblasen eines Schutz- oder Inertgases erzeugt werden. Es muss dabei nicht unbedingt direkt auf das Sensormodul geblasen werden. Es genügt, wenn sich Gas am Sensor vorbei bewegt, was durch eine Umwälzung im Prozessraum geschehen kann oder mittels eines Luftstroms durch eine Leitung, in der der Sensor liegt.
• Eine Steuerung bzw. Regelung kann einfach dadurch erreicht werden, dass das Sensorsignal mit einem Grenzwert verglichen wird, der die Grenze zwischen einem erwünschten und einen unerwünschten Bereich darstellt. Sobald das Sensorsignal den erwünschten Bereich verlässt, wird eine Maßnahme in die Wege geleitet, z.B. der Gasstrom geändert, so dass sich das Sensorsignal wieder in den erwünschten Bereich hinein bewegt.
• Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
• Bei einer bevorzugten Sensoranordnung umfasst das Filterelement ein Molekularsieb und/oder ein Adsorptionsmittel durch welches die Gasprobe geführt wird, bevor sie in das Sensormodul eindringt. Bevorzugte Molekularsiebe bzw. Adsorptionsmittel umfassen ein Zeolith oder Aktivkohle. Insbesondere Zeolith mit der richtigen Porengröße (3A) ist imstande Wasserstoff und Wasser vorteilhaft zu adsorbieren. Zur selektiven Reinigung von Arbeitsgasen von Wasserstoff ist im speziellen auch die katalytische Adsorption an geeigneten anderen Adsorbermaterialien möglich (Molekularsiebe, Aktivkohlen u.ä.). Alternativ oder zusätzlich kann eine Platinschicht verwendet werden, an der die Gasprobe vorbeigeführt wird, bevor sie in das Sensormodul eindringt. Diese Platinschicht kann als ausgedehnte Oberfläche oder in Form einer Oberfläche eines Granulats vorliegen.
• Gemäß einer bevorzugten Sensoranordnung weist das Sensormodul (zumindest) eine Anode und (zumindest) eine Kathode auf und ist insbesondere ein amperometrischer oder potentiometrischer Sensor. Es ist dabei bevorzugt, dass die Sensoranordnung zwischen Anode und Kathode ein Festelektrolyt, insbesondere Zirkondioxid (ZrO₂) umfasst und dass das Filterelement in oder an dem Festelektrolyt angeordnet ist. In diesem Falle befindet sich das Filterelement also im Sensormodul zwischen den Elektroden und es ist bevorzugt, dass es Hydroxidionen adsorbiert oder zu Wasser umbildet.
• Bei einer bevorzugten Sensoranordnung ist ein Filterelement so angeordnet, dass es die Gasprobe filtert, bevor sie in das Sensormodul eindringt. Dies kann ein zusätzliches Filterelement zum vorangehend genannten Filterelement im Sensormodul sein oder ein alternatives Filterelement. Es ist dabei bevorzugt, dass das Filterelement das Sensormodul oder zumindest dessen Elektroden zumindest teilweise umgibt oder dass es so angeordnet ist, dass es die Gasprobe in einer Gaszuführung zum Sensormodul filtert (also die Zuleitung zum Sensormodul filtert).
• Gemäß einer bevorzugten Sensoranordnung wird das Filterelement durch eine Elektrode des Sensormoduls gebildet, wobei das Elektrodenmaterial der Elektrode so gewählt ist, dass die Umsetzung von gasförmigem Wasser zu Wasserstoffionen und Hydroxidionen und/oder die Umsetzung von molekularem Wasserstoff in Wasserstoffionen und/oder die Adsorption von gasförmigem Wasser und/oder Wasserstoff gehemmt ist. Bevorzugt ist das Elektrodenmaterial so gewählt, dass es aufgrund seiner chemischen Eigenschaften und/oder Oberflächeneigenschaften in der Lage ist, Wasser und/oder Wasserstoff zu adsorbieren und dabei zu hemmen, dass Wasser und/oder Wasserstoff ein fehlerhaftes Messsignal der Sauerstoffkonzentration verursachen. Alternativ oder zusätzlich kann die Hemmung der Umsetzung von Wasser und/oder Wasserstoff in Ionen von den chemischen und/oder den Oberflächeneigenschaften des Elektrodenmaterials gegeben sein. Die Adsorption von Wasser und Wasserstoff und/oder die Hemmung eines fehlerhaften Messsignals und/oder die Hemmung der Umsetzung von Wasser und/oder Wasserstoff in Ionen kann durch die Änderung der während des Messbetriebs an den Elektroden gelegten Spannung und/oder durch eine Änderung der Betriebstemperatur des Sensormoduls erreicht und/oder verstärkt werden.
• Eine bevorzugte Sensoranordnung umfasst eine Regelvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls und/oder die Betriebstemperatur des Filterelements zu regeln. Dabei werden Spannung bzw. Temperatur in einem vorgegebenen Bereich gehalten, in dem eine lonisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigem Wasser und/oder Wassersoff vermieden wird. Eine Spannung wird dabei bevorzugt unter einen vorgegebenen Grenzwert gesenkt. Es ist dabei bevorzugt, dass die Betriebsspannung des Sensors um ±0,8/0,9V bis auf ±0,3/0,4V gesenkt wird. Es ist generell bevorzugt, den Sensor bei einer Temperatur zwischen 300-700°C zu betreiben.
• Bevorzugt umfasst das Filterelement eine Temperaturregelung, mit der das Filterelement geheizt und/oder gekühlt werden kann. Eine Heizung kann insbesondere dann erfolgen, wenn kein Fertigungsprozess durchgeführt wird, um adsorbierte Stoffe abzugeben und damit das Filterelement zu reinigen. Eine Kühlung kann zur Einstellung einer Adsorptionsrate verwendet werden. Bevorzugt ist die Regelvorrichtung dazu ausgelegt, diese Temperaturregelung des Filterelements abhängig vom Sensorsignal zu steuern oder zu regeln.
• Eine bevorzugte Sensoranordnung umfasst ein Referenz-Sensormodul (wobei mit diesem Begriff wie oben gesagt auch ein Sensor mit einer Referenzkomponente gemeint sein kann), welches bevorzugt mit einer anderen Spannung betrieben wird als das Sensormodul, insbesondere einer niedrigeren Spannung. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Referenz-Sensormodul ein Referenzgas als Gasprobe in einer Referenzkammer (bevorzugt bei einem potentiometrisch messenden Sensormodul). Alternativ oder zusätzlich umfasst das Referenz-Sensormodul eine Referenzmesszelle, bevorzugt eine Feststoffzelle z.B. aus Palladium/Palladiumoxid. Diese Ausführungsform betrifft bevorzugt ein amperometrisch messendes Sensormodul. Alternativ oder zusätzlich ist das Referenz-Sensormodul so angeordnet, dass die in das Referenz-Sensormodul eindringende Gasprobe nicht durch das Filterelement gefiltert wurde. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Referenz-Sensormodul ein Referenz-Filterelement, welches sich durch sein Material und/oder seinen Aufbau vom Filterelement unterscheidet, die Gasprobe filtert, die in das Sensormodul eindringt.
• Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst eine Gaspumpe. Damit ist ein Element gemeint, mit dem ein Gas mit Druck beaufschlagt werden kann oder Gas bewegt werden kann. Das Gas kann mit einem Druck viel besser durch das Filterelement zum Sensormodul bewegt werden, da das Filterelement dem Gasstrom einen Strömungswiderstand entgegensetzt. Beim Hindurchströmen des Gases durch das Filterelement werden dann jene Komponenten herausgefiltert, welche das Messsignal verfälschen würden. Eine Druckdifferenz kann beispielsweise durch das Filtersystem eines Inertgaskreislaufs realisiert werden. Die Vorrichtung ist bevorzugt so gestaltet, dass eine Gasprobe mittels der Gaspumpe zu der Sensoranordnung bewegt wird, bevorzugt wobei die Gaspumpe dazu ausgelegt ist, das Gasvolumen in einem Prozessraum der Vorrichtung umzuwälzen, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas in den Prozessraum einzuführen.
• Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst eine Rohrleitung. Das Sensormodul der Sensoranordnung ist in dieser Rohrleitung angeordnet, so dass ein durch die Rohrleitung strömendes Gas als Gasprobe für eine Messung dient. Bevorzugt ist das Filterelement in der Rohrleitung so angeordnet, dass das durch die Rohrleitung strömende Gas gefiltert wird bevor es auf das Sensormodul trifft.
• Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst ein Umluftsystem, das durch Rohrleitungen mit der Prozesskammer verbunden ist. Das Umluftsystem kann eine Gaspumpe umfassen, die derart betrieben werden kann, dass ein Gasvolumen von der Prozesskammer abgeführt werden kann und ein Inertgas in die Prozesskammer eingeführt werden kann. An dem Einlass und/oder Auslass der Rohrleitung, die das Umluftsystem mit der Prozesskammer verbinden, können Einlass und/oder Auslassventile angeordnet sein, die die Gasabführung und/oder -zuführung realisieren und/oder erleichtern können. Optional umfasst das Umluftsystem eine Filteranlage (die nicht mit dem Filterelement der Sensoranordnung zu verwechseln ist), die das von der Prozesskammer abgeführte Gasvolumen reinigen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Sensoranordnung in einer Rohrleitung, die das Umluftsystem mit der Prozesskammer verbindet und das Filterelement ist in der Rohrleitung so angeordnet, dass das durch die Rohrleitung strömende Gas gefiltert wird, bevor es auf das Sensormodul trifft. Alternativ befindet sich die Sensoranordnung in der Nähe des Einlasses und/oder des Auslasses einer Rohrleitung.
• Bei einem bevorzugten Messverfahren wird der Gasstrom basierend auf dem Sensorsignal geregelt. Insbesondere wird dabei der Gasstrom verstärkt, wenn das Sensorsignal über eine vordefinierte Schwelle steigt oder unter eine vordefinierte Schwelle sinkt. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt der Bauprozess der Vorrichtung abhängig vom Sensorsignal durchgeführt. Beispielsweise wird bei einer zu hohen Sauerstoffkonzentration der Fertigungsprozess zumindest für eine vorbestimmte Zeit unterbrochen.
• Bei einem bevorzugten Messverfahren wird für eine Referenzmessung der Sauerstoff-Partialdruck im Sensormodul bis zu einer vorgegebenen minimalen Konzentration vermindert. Dies geschieht bevorzugt durch Pumpen mit einer Spannung oder einen Sauerstoffadsorber oder ein gezieltes Spülen des Probegases. Das Pumpen mit einer Spannung kann dadurch erfolgen, dass an den (Platin)elektroden des Sensormoduls eine Spannung, die bspw. höher als die Betriebsspannung für die Messung der Sauerstoffkonzentration sein kann, angelegt wird, wodurch diese als Sauerstoffpumpe fungieren (durch die Ionisierung und Bewegung im elektrischen Feld). Dabei wird Sauerstoff von der zu messenden Atmosphäre durch den Elektrolyten geleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die an den Elektroden angelegten Spannung im Vergleich mit der Betriebsspannung invertiert werden, so dass der Sauerstoffgehalt im Referenz-Sensormodul vermindert wird.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung eine Bewegungsvorrichtung, mittels der das Filterelement von einer Ruheposition in eine Filterposition, z.B. vor das Sensormodul, (und zurück) bewegt werden kann. Dies geschieht bevorzugt basierend auf dem Sensorsignal. Bevorzugt in dem Fall, in dem sich aus dem Sensorsignal ableiten lässt, dass der Sensor außerhalb eines erwünschten Bereichs misst, wird das Filterelement in die Filterposition bewegt, z.B. vor das Sensorelement. Diesbezüglich ist auch der Fall bevorzugt, dass verschiedene Filterelemente vorhanden sind, die je nach von einem vom Sensorsignal abgeleiteten Zustand in die Filterposition bewegt werden können.
• Es ist auch bevorzugt, dass mehrere Sensoren vorliegen, die unterschiedliche Filterelemente aufweisen.
• Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
• 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
• 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einem umgebenden Filterelement,
• 3 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einem eingebauten Filterelement,
• 4 ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung in einer Rohrleitung,
• 5 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines bevorzugten Messverfahrens.
• Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Lasersintervorrichtung“ 1 bezeichnet.
• Eine solche Lasersintervorrichtung 1 ist schematisch in 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
• Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
• Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann mit einem Laserstrahl AL als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11, somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien. Die Erfindung wirkt sich dabei besonders vorteilhaft auf metallischen Aufbaumaterialien 13 aus.
• Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Lasersintervorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung (Doppelpfeil) bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
• Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sogar sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler genutzt werden.
• Zum selektiven Verfestigen weist die Lasersintervorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl EL, der zunächst einer Strahlformungseinrichtung 30 (als Eingangs-Energiestrahl EL bzw. Eingangs-Laserstrahl EL) zugeführt wird. Die Strahlformungseinrichtung 30 kann wie oben bereits beschrieben dazu genutzt werden, um die Intensitätsverteilung, d. h. das Intensitätsprofil, des Energiestrahls zu modifizieren, zum Beispiel auch, um ein Gaußprofil einem Top-Hat-Profil zu überlagern. Hierzu kann die Strahlformungseinrichtung 30 mit geeigneten Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD angesteuert werden.
• Eine bevorzugte Strahlformungseinrichtung 30 kann hierzu z. B. eingangsseitig zunächst einen Strahlteiler in Form eines Dünnschicht-Polarisators aufweisen, welcher den Eingangs-Laserstrahls EL in zwei linear polarisierte Teilstrahlen aufteilt. Jeder dieser linear polarisierten Teilstrahlen kann zu einem eigenen Strahlformungselement geleitet werden. Diese Strahlformungselemente sind für die eigentliche Strahlformung zuständig. Es kann sich hierbei z. B. um sogenannte passive DOEs, (DOE = Diffractive Optical Element) handeln, die reflektiv arbeiten und die Wellenfront des einfallenden Teilstrahls durch lokale Modulation von Phase und/oder Amplitude verändern. Ein Beispiel hierfür wären LCoS-Micro-Displays (LCoS = Liquid Crystal on Silicon), die mit den entsprechenden Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD angesteuert werden können, die von der noch nachfolgend beschriebenen Bestrahlungssteuerschnittstelle 53 der Steuereinrichtung 50 der Lasersintervorrichtung 1 geliefert werden können.
• Über eine nachfolgende Umlenkvorrichtung 23 (Scanner 23) wird der optional von der Strahlformungseinrichtung modifizierte (Ausgangs-) Energiestrahl bzw. Laserstrahl AL dann umgelenkt, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Verfestigungsbahnen (d. h. Belichtungspfade oder Spuren) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. D. h. mittels des Scanners 23 wird die Auftrefffläche 22 des Energiestrahls AL auf dem Baufeld 8 bewegt, wobei sich der aktuelle Bewegungsvektor bzw. die Bewegungsrichtung (Scanrichtung) der Auftrefffläche 22 auf dem Baufeld 8 häufig und schnell ändern kann. Dabei wird dieser Laserstrahl AL durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb des Prozessraums 3, und der Laserstrahl AL wird über ein an der Oberseite des Prozessraums 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in den Prozessraum 3 geleitet.
• Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
• Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Prozesskammer 3 eine optionale, vorzugsweise verfahrbare und/oder verstellbare Düse D angeordnet, welche dazu genutzt werden kann, lokal ein Gas oder eine Gasmischung in den Bereich der Auftrefffläche des Laserstrahls AL auf dem Baufeld 8 zuzuführen, um dadurch die Soll-Einschweißtiefe zu beeinflussen.
• Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiterhin eine Detektoranordnung 18, welche dazu geeignet ist, eine während des Auftreffens des Laserstrahls AL auf das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene emittierte Prozessstrahlung zu erfassen. Diese Detektoranordnung 18 arbeitet dabei ortsaufgelöst, d. h. sie ist in der Lage, eine Art Emissionsbild der jeweiligen Schicht zu erfassen. Vorzugsweise wird als Detektoranordnung 18 ein Bildsensor bzw. eine Kamera 18 verwendet, welche im Bereich der emittierten Strahlung ausreichend sensitiv ist. Alternativ oder zusätzlich könnten auch ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung einer optischen und/oder thermischen Prozessstrahlung genutzt werden, z.B. Photodioden, die die von einem Schmelzbad unter auftreffendem Laserstrahl AL emittierte elektromagnetische Strahlung erfassen, oder Temperaturfühler zum Erfassen einer emittierten thermischen Strahlung (sogenanntes Meltpool-Monitoring). Eine Zuordnung des Signals eines selbst nicht ortsauflösenden Sensors zu den Koordinaten wäre möglich, indem die Koordinaten, die für die Ansteuerung des Laserstrahls genutzt werden, dem Sensorsignal jeweils zeitlich zugeordnet werden. In 1 ist die Detektoranordnung 18 innerhalb der Prozesskammer 3 angeordnet. Sie könnte sich aber auch außerhalb der Prozesskammer 3 befinden und die Prozessstrahlung dann durch ein weiteres Fenster in der Prozesskammer 3 erfassen.
• Die von der Detektoranordnung 18 erfassten Signale können als Prozessraum-Sensordatensatz bzw. Schichtbild SB hier an eine Steuereinrichtung 50 der Lasersintervorrichtung 1 übergeben werden, welche auch dazu dient, die verschiedenen Komponenten der Lasersintervorrichtung 1 zur gesamten Steuerung des additiven Fertigungsprozesses anzusteuern.
• Hierzu umfasst die Steuereinrichtung 50 eine Steuereinheit 51, welche über eine Bestrahlungssteuerschnittstelle 53 die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20 ansteuert, nämlich hier an den Laser 21 Lasersteuerdaten LS übersendet, an die Strahlformungseinrichtung 30 Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD, an die Umlenkvorrichtung 23 Scansteuerdaten SD und an die Fokussiervorrichtung 24 Fokussteuerdaten FS übersendet. Die Gesamtheit dieser Daten kann als Belichtungssteuerdaten BSD bezeichnet werden.
• Die Steuereinheit 51 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TSD die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke. Weiterhin steuert sie auch die Düse D mit Hilfe von Düsensteuerdaten DS.
• Zusätzlich weist die Steuereinrichtung 50 hier eine Qualitätsdaten-Ermittlungseinrichtung 52 auf, die den Prozessraum-Sensordatensatz SB erhält und darauf basierend Qualitätsdaten QD ermittelt, die beispielsweise an die Steuereinheit 51 übergeben werden können, um regelnd in den additiven Fertigungsprozess eingreifen zu können.
• Die Steuereinrichtung 50 ist, hier z. B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 61 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal kann ein Bediener die Steuereinrichtung 50 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z. B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PSD.
• Im Prozessraum 3 ist in diesem Beispiel in der rechten oberen Ecke eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 angeordnet, welche die Sauerstoffkonzentration in dem Prozessraum 3 misst. Wie oben ausgeführt, kann durch Undichtigkeiten in der Gaszuführung des Prozessraums 3 oder durch Aufspaltung von Feuchte im Aufbaumaterial 13 durch den Energiestrahl AL die Sauerstoffkonzentration in dem Prozessraum 3 ansteigen bzw. durch die Zuführung von Schutzgas schwanken. Der Aufbau dieser Sensoranordnung 9 wird im Folgenden genauer beschrieben.
• Die Sensoranordnung 9 umfasst in diesem Beispiel eine Regelvorrichtung 94, welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls 90 und/oder die Betriebstemperatur des Filterelements F zu regeln, so dass dort eine lonisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigen Wasser vermieden wird.
• 2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 mit einem umgebenden Filterelement F, wie sie für eine Vorrichtung 1 nach 1 verwendet werden kann. Die Sensoranordnung 9 umfasst außen ein gasdurchlässiges Sensorgehäuse 90 (was hier auch mit den enthaltenen Komponenten das Sensormodul 90 repräsentiert), welches von einem Deckel 93 abgedeckt wird. An diesem Deckel 93 kann die Sensoranordnung 9 an der Kammerwandung 4 der Prozesskammer 3 angebracht werden. Durch ein Loch in der Kammerwandung 3 können Leitungen L des Sensormoduls 90 nach außen geführt werden. Es ist aber auch möglich, dass der Deckel 93 etwas länger ausgeführt und mit einem Gewinde versehen ist, so dass das Sensormodul 90 von außen durch ein Loch der Kammerwandung 4 gesteckt und dort eingeschraubt werden kann.
• Das Sensormodul 90 (bzw. das Sensorgehäuse 90) ist in diesem Beispiel an allen Seiten bis auf den Deckel 93 vom Filterelement F umgeben, so dass Gas. welches in das Sensormodul 90 als Gasprobe P (s. 5) eintritt, gefiltert wird. Das Filterelement F ist dabei selektiv und filtert hier nur gasförmiges Wasser heraus. Er kann zusätzlich auch noch Wasserstoff herausfiltern.
• Innerhalb des Sensorgehäuses 90 sind die funktionalen Komponenten des Sensormoduls 90 angeordnet. Dies sind die Anode A und die Kathode K, welche von einem Festelektrolyt E, z.B. Zirkondioxid, getrennt werden und die Heizung H zum Aufheizen der Innenkammer 91, in der die Kathode K angeordnet ist. Dieser funktionale Aufbau entspricht dem Stand der Technik und wird durch zwei Fixierelemente 92, z.B. Glaswolle, gehalten. Die Spannungen oder Ströme an den Elektroden A, K werden mittels der Leitungen L nach außen geführt, wo sie weiterverarbeitet werden können. Die Heizung H hat auch zwei Leitungen zur Energieversorgung, die jedoch der Übersicht halber nicht eingezeichnet sind.
• Obwohl in 2 das Filterelement F das gesamte Sensoranordnung umgibt, kann es auch nur ein Teil des Sensormodul umfassen.
• Obwohl das Filterelement F in 2 unmittelbar in Kontakt mit dem Sensormodul 90 ist, kann es auch zumindest teilweise mit dem Sensormodul 90 in Berührung sein. Das Filterelement F und das Sensormodul 90 können auch nicht in Berührung sein. Das Filterelement F kann auch ausreichend nah am Sensormodul 90 sein, damit durch die Wirkung des Filterelements die Konzentration von Gaskomponenten, die Das Signal des Sensormoduls 90 verfälschen können, niedrig genug gehalten wird.
• 3 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 mit einem eingebauten Filterelement F. Dargestellt ist hier nur der funktionale Aufbau mit Innenkammer 91, Anode A, Festelektrolyt E und Kathode K. Das Filterelement F ist hier am Festelektrolyt E angeordnet und filtert bevorzugt Hydroxydionen heraus.
• 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 in einer Rohrleitung R. Als Sensormodul 90 kann das in 2 gezeigte Sensormodul 90 (die Sensoranordnung 9 aus 2 ohne umgebendes Filterelement F) angenommen werden. Das Filterelement F ist hier in der Rohrleitung R angeordnet und Gas, welches durch die Rohrleitung R strömt (Pfeil) muss erst das Filterelement F passieren, bevor es auf das Sensormodul 90 trifft. In einer Ausführungsform ist die Rohrleitung R mir einer Gaspumpe verbunden. Mithilfe der Gaspumpe kann durch die Rohrleitung R ein Gas mit Druck beaufschlagt werden kann oder durch die Rohrleitung R kann Gas bewegt werden. Das Gas kann mit einem Druck viel besser durch das Filterelement F zum Sensormodul 90 bewegt werden, da das Filterelement F dem Gasstrom einen Strömungswiderstand entgegensetzt. Beim Hindurchströmen des Gases durch das Filterelement F werden dann jene Komponenten herausgefiltert, welche das Messsignal verfälschen würden. Die Gaspumpe, mit der die Rohrleitung R verbunden ist, kann dazu ausgelegt sein, ein Gasvolumen in einem Prozessraum der Vorrichtung umzuwälzen, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum durch die Rohrleitung R abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas, durch die Rohrleitung R in den Prozessraum einzuführen. Bevorzugt sind das Filterelement F und das Sensormodul 90 in der Rohrleitung R angeordnet, wobei durch die Rohrleitung R ein Gasvolumen aus dem Prozessraum mithilfe der Gaspumpe abgeführt wird. Dabei sind das Sensormodul 90 und das Filterelement F derart angeordnet, dass das abgeführte Gasvolumen zuerst das Filterelement beaufschlagt und dann in das Sensormodul eindringt. Beim Hindurchströmen des Gases durch das Filterelement F werden dann jene Komponenten herausgefiltert, welche das Messsignal verfälschen würden.
• In einer weiteren Ausführungsform verbindet die Rohrleitung R die Prozesskammer mit einem Umluftsystem. Das Umluftsystem, mit dem die Rohrleitung R verbunden ist, kann, bevorzugt mithilfe einer Gaspumpe, dazu ausgelegt sein, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum durch die Rohrleitung R abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas, durch die Rohrleitung R in den Prozessraum einzuführen. Bevorzugt sind das Filterelement F und das Sensormodul 90 in der Rohrleitung R angeordnet, wobei durch die Rohrleitung R ein Gasvolumen aus dem Prozessraum abgeführt wird. Dabei sind das Sensormodul 90 und das Filterelement F derart angeordnet, dass das abgeführte Gasvolumen zuerst das Filterelement beaufschlagt und dann in das Sensormodul eindringt. Beim Hindurchströmen des Gases durch das Filterelement F werden dann jene Komponenten herausgefiltert, welche das Messsignal verfälschen würden.
• 5 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines bevorzugten Messverfahrens mit einer Sensoranordnung 9 wie z.B. in den vorangehenden Figuren gezeigt sind in einer Vorrichtung 1 wie sie z.B. in 1 gezeigt ist.
• In Schritt I wird ein Gasstrom in dem Prozessraum 3 der Vorrichtung 1 erzeugt, so dass durch den Gasstrom eine Gasprobe P auf das Sensormodul 90 trifft.
• In Schritt II wird ein Sensorsignal S durch das Sensormodul 90 der Sensoranordnung 9 generiert.
• In Schritt III wird das Sensorsignal S zur Steuerung oder Regelung der Vorrichtung 1 verwendet, wobei z.B. ein Gasstrom in der Prozesskammer 3 basierend auf dem Sensorsignal S geregelt wird, so dass der Gasstrom verstärkt wird, wenn das Sensorsignal S über eine vordefinierte Schwelle steigt.
• Das Verfahren wird dabei stetig wiederholt, was durch einen rückgerichteten Pfeil verdeutlicht wird.
• Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung

2

Bauteil / Objekt

3

Prozessraum / Prozesskammer

4

Kammerwandung

5

Behälter

6

Behälterwandung

7

Arbeitsebene

8

Baufeld

9

Sensoranordnung

10

Träger

11

Grundplatte

12

Bauplattform

13

Aufbaumaterial (im Behälter 5)

14

Vorratsbehälter

15

Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)

16

Beschichter

17

Strahlungsheizung

18

Sensoranordnung / Kamera

20

Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung

21

Laser

22

Auftrefffläche (des Laserstrahls)

23

Umlenkvorrichtung / Scanner

24

Fokussiereinrichtung

25

Einkoppelfenster

30

Strahlformungseinrichtung

50

Steuereinrichtung

51

Steuereinheit

52

Qualitätsdaten-Ermittlungseinrichtung

53

Bestrahlungssteuerschnittstelle

60

Bus

61

Terminal

90

Sensormodul / Sensorgehäuse

91

Innenkammer

92

Fixierelement

93

Deckel

94

Regelvorrichtung

A

Anode

AL

(Ausgangs-)Energiestrahl / Laserstrahl

BSD

Steuerdaten / Belichtungssteuerdaten

D

Düse

DS

Düsensteuerdaten

E

Festelektrolyt

EL

Eingangs-Energiestrahl / Laserstrahl

F

Filterelement

FS

Fokussteuerdaten

H

Heizung

HS

Heizungssteuerdaten

K

Kathode

LS

Lasersteuerdaten

P

Gasprobe

PSD

Prozesssteuerdaten

QD

Qualitätsdaten

R

Rohrleitung

S

Sensorsignal

SB

Prozessraum-Sensordatensatz / Schichtbild

SD

Scansteuerdaten

SI

Schichtinformationen

SM

Schraffur-Segment / Streifen

ST

Beschichtungssteuerdaten

TSD

Trägersteuerdaten

VSD

Intensitätsverteilungssteuerdaten

Claims (15)

1. Sensoranordnung (9) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Sensoranordnung (9) umfassend: - ein Sensormodul (90), dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul (90) eindringenden Gasprobe (P) zu detektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal (S) zu generieren, - ein selektives Filterelement (F), ausgelegt zum Filtern der Gasprobe (P), so dass zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen aus der Gasprobe (P) herausgefiltert werden.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei das Filterelement (F) ein Molekularsieb und/oder ein Adsorptionsmittel umfasst, insbesondere ein Zeolith oder Aktivkohle, durch welches die Gasprobe (P) geführt wird, bevor sie in das Sensormodul (90) eindringt oder eine Platinschicht, an der die Gasprobe (P) vorbei geführt wird, bevor sie in das Sensormodul (90) eindringt.
3. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensormodul (90) eine Anode (A) und eine Kathode (K) aufweist, insbesondere ein amperometrischer oder potentiometrischer Sensor ist, bevorzugt wobei die Sensoranordnung (9) zwischen Anode (A) und Kathode (K) ein Festelektrolyt (E), insbesondere Zirkondioxid umfasst und das Filterelement (F) in oder an dem Festelektrolyt (E) angeordnet ist.
4. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Filterelement (F) so angeordnet ist, dass es die Gasprobe (P) filtert, bevor sie in das Sensormodul (90) eindringt und bevorzugt das Sensormodul (90) oder zumindest dessen Elektroden (A, K) zumindest teilweise umgibt oder so angeordnet ist, dass es die Gasprobe (P) in einer Gaszuführung zum Sensormodul (90) filtert.
5. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (F) durch eine Elektrode (A, K) des Sensormoduls (90) gebildet wird, wobei das Elektrodenmaterial der Elektrode (A, K) so gewählt ist, dass die Umsetzung von gasförmigem Wasser zu Wasserstoffionen und Hydroxid und/oder die Umsetzung von molekularem Wasserstoff in Wasserstoffionen und/oder die Adsorption von gasförmigem Wasser und/oder die Adsorption von Wasserstoff gehemmt ist.
6. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Regelvorrichtung (94), welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls (90) und/oder die Betriebstemperatur des Filterelements (F) zu regeln, insbesondere auf eine Weise, dass dort eine lonisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigen Wasser vermieden wird, wobei die Spannung bevorzugt unter einen vorgegebenen Grenzwert gesenkt wird.
7. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein Referenz-Sensormodul, welches - mit einer anderen Spannung betrieben wird als das Sensormodul (90), und/oder - ein Referenzgas als Gasprobe (P) in einer Referenzkammer umfasst, und/oder - eine Referenzmesszelle, bevorzugt eine Palladium-/Palladiumoxid-Feststoffzelle, umfasst, und/oder - andere Elektroden aufweist als das Sensormodul (90) und/oder - so angeordnet ist, dass die in das Referenz-Sensormodul eindringende Gasprobe (P) nicht durch das Filterelement (F) gefiltert wurde, und/oder - ein Referenz-Filterelement, welches sich durch sein Material und/oder seinen Aufbau vom Filterelement (F) unterscheidet, die Gasprobe (P) filtert, die in das Sensormodul (90) eindringt.
8. Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Vorrichtung (1) umfassend: - eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial (13) auf das Baufeld (8), - eine Bestrahlungsvorrichtung (20), um zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten Aufbaumaterial (13) durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl (AL) selektiv zu verfestigen, sowie - eine Sensoranordnung (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 umfassend eine Gaspumpe, wobei die Vorrichtung (1) so gestaltet ist, dass eine Gasprobe (P) mittels der Gaspumpe zu der Sensoranordnung (9) bewegt wird, bevorzugt wobei die Gaspumpe dazu ausgelegt ist, das Gasvolumen in einem Prozessraum (3) der Vorrichtung umzuwälzen, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum (3) abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas in den Prozessraum (3) einzuführen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, umfassend eine Rohrleitung (R), wobei das Sensormodul (90) der Sensoranordnung (9) in der Rohrleitung (R) angeordnet ist, so dass durch die Rohrleitung (R) strömendes Gas als Gasprobe (P) für eine Messung dient, wobei das Filterelement (F) bevorzugt in der Rohrleitung (R) so angeordnet ist, dass das durch die Rohrleitung (R) strömende Gas gefiltert wird bevor es auf das Sensormodul (90) trifft.
11. Messverfahren mit einer Sensoranordnung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, umfassend die Schritte: - Erzeugen eines Gasstroms in dem Prozessraum (3) der Vorrichtung (1), so dass durch den Gasstrom eine Gasprobe (P) auf das Sensormodul (90) trifft, - Generieren eines Sensorsignals (S) durch das Sensormodul (90) der Sensoranordnung (9), - Optional: Verwenden des Sensorsignals (S) zur Steuerung oder Regelung der Vorrichtung (1).
12. Messverfahren nach Anspruch 11, wobei der Fertigungsprozess und/oder der Gasstrom basierend auf dem Sensorsignal (S) geregelt wird, insbesondere wobei der Gasstrom verstärkt wird, wenn das Sensorsignal (S) über eine vordefinierte Schwelle steigt oder unter eine vordefinierte Schwelle sinkt und oder wobei bevorzugt der Bauprozess der Vorrichtung (1) abhängig vom Sensorsignal (S) durchgeführt wird.
13. Messverfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei für eine Referenzmessung der Sauerstoff-Partialdruck im Sensormodul (90) bis zu einer vorgegebenen minimalen Konzentration vermindert wird, bevorzugt durch Pumpen mit einer Spannung oder einen Sauerstoffadsorber oder ein gezieltes Spülen des Probegases.
14. Messverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Filterelement (F) eine Temperaturregelung umfasst, mit der das Filterelement (F) geheizt und/oder gekühlt werden kann, wobei diese Temperaturregelung abhängig vom Sensorsignal (S) zu steuern oder zu regeln.
15. Messverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Sensoranordnung (9) eine Bewegungsvorrichtung umfasst, mittels der das Filterelement (F) von einer Ruheposition in eine Filterposition bewegt werden kann, wobei diese Bewegung basierend auf dem Sensorsignal durchgeführt wird, bevorzugt in dem Fall, in dem sich aus dem Sensorsignal ableiten lässt, dass der Sensor außerhalb eines erwünschten Bereichs misst, wobei bevorzugt verschiedene Filterelemente vorhanden sind, die je nach von einem vom Sensorsignal abgeleiteten Zustand in die Filterposition bewegt werden.

Images