DE102021203453A1

DE102021203453A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile

Info

Publication number: DE102021203453A1
Application number: DE102021203453.5A
Authority: DE
Inventors: Frederik Schaal; Valentin Blickle
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2022-10-13
Also published as: WO2022214538A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile (2), bei dem ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial (6) mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (8), lokal aufgeschmolzen wird und sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad (15) bildet. Bei dem Verfahren wird zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter (T, v) der additiven Fertigung ein Spektrum (22) einer von einem Plasma (17), das sich beim Aufschmelzen in einer Umgebung (16) des Schmelzbades (15) bildet, emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) gemessen und ausgewertet. Bei dem Prozessparameter kann es sich beispielsweise um eine Temperatur (T) oder um eine Strömungsgeschwindigkeit (v) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) handeln. Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile (2).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, bei dem ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, lokal aufgeschmolzen wird und sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad bildet. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, umfassend: eine Strahlquelle, die einen Bearbeitungsstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, emittiert, sowie eine Bearbeitungsoptik, die ausgebildet ist, ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial durch Bestrahlung mit dem Bearbeitungsstrahl lokal aufzuschmelzen, wobei sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad bildet.
Die Herstellung komplexer dreidimensionaler Bauteile mittels additiver Fertigung hat in den letzten Jahren in Forschung und Industrie stark an Bedeutung gewonnen. Ein besonders zukunftsweisendes Verfahren zur additiven Fertigung ist die Powder Bed Fusion. Bei der Powder Bed Fusion wird ein dreidimensionales Bauteil Schicht für Schicht aus einem Pulver aufgebaut. Dazu wird in jedem Schritt jeweils zunächst eine dünne Pulverschicht auf den bereits gefertigten Teil des Bauteils aufgetragen. Das Pulver wird dann mit einem Bearbeitungsstrahl lokal bestrahlt. Dadurch wird das Pulver lokal aufgeschmolzen und mit den tieferliegenden Schichten des Bauteils stoffschlüssig verbunden. Diese Vorgehensweise wird nun wiederholt bis alle Schichten des Bauteils gefertigt sind. Durch die Bestrahlung bildet sich zunächst ein lokal begrenztes Schmelzbad aus dem aufgeschmolzenen Pulver. Durch die hohen Temperaturgradienten bildet sich außerdem eine thermische Strömung oberhalb des Schmelzbades. Von besonderer Bedeutung für das Verfahren sind unter anderem die Vorgänge in der räumlich eng begrenzten Prozesszone, in der unterschiedliche Phasen (Pulver, Schmelzbad, Gasströmung) während der Bestrahlung miteinander interagieren.
Um eine hohe Bauteilqualität zu erzielen, können während der additiven Fertigung Prozessparameter überwacht werden. Beispielsweise sind Systeme zur Schmelzbadüberwachung bekannt, die sich auf optische Emissionen des Schmelzbades stützen, welche durch Dioden oder Kameras gemessen werden. Mit solchen Systemen kann beispielsweise die Temperatur des Schmelzbades, welche die Bauteilqualität wesentlich beeinflusst, gemessen werden. Allerdings ist damit lediglich eine relative Temperaturbestimmung möglich, da im Allgemeinen der Emissionsgrad von Schmelzbad und Pulver unbekannt ist. Auch können die Strömungsverhältnisse innerhalb der Prozesszone, die ebenfalls einen Einfluss auf die Bauteilqualität haben, auf diese Weise nicht erfasst werden.
Aufgabe der Erfindung
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile bereitzustellen, welche eine zuverlässige Erfassung von aussagekräftigen Prozessparametern während der additiven Fertigung und damit die reproduzierbare Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen hoher Qualität erlauben.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter der additiven Fertigung ein Spektrum einer von einem Plasma, das beim Aufschmelzen in einer Umgebung des Schmelzbades gebildet wird, emittierten elektromagnetischen Strahlung gemessen und ausgewertet wird.
Bei dem Bearbeitungsstrahl handelt es sich um einen Strahl aus geladenen Teilchen, insbesondere um einen Elektronenstrahl, oder um elektromagnetische Strahlung, insbesondere einen Laserstrahl, bevorzugt einen gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt einen gepulsten Laserstrahl mit Pulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich oder darunter. Für den Fall, dass es sich bei dem Bearbeitungsstrahl um einen Laserstrahl handelt, wird das Verfahren zur additiven Fertigung auch als Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF) bezeichnet. Wenn es sich bei dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial um ein Metall handelt, wird das Verfahren zur additiven Fertigung auch als Laser Metal Fusion (LMF) bezeichnet. Bei dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial kann es sich aber auch um eine Keramik, insbesondere um eine mindestens ein Metall enthaltende Keramik, oder um ein anderes Material handeln.
Der Bearbeitungsstrahl wird für die Bestrahlung in der Regel fokussiert. Durch das Aufschmelzen des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials bildet sich ein Schmelzbad bestehend aus einer lokal (z.B. durch den Laserspot) erhitzten Schmelze, welches sich durch Wärmeleitung sowohl lateral als auch in der Tiefe in flüssigem Zustand fortsetzt. In der Umgebung des Schmelzbades, typischerweise direkt oberhalb des Schmelzbades, bildet sich ein Plasma, das aus Schutzgas und Schmelzbad-Bestandteilen besteht.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter der additiven Fertigung ein Spektrum einer von dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung zu messen und auszuwerten. Die Messung des Spektrums der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung erfolgt bevorzugt im sichtbaren Spektralbereich, kann aber auch im Ultraviolett- oder Infrarotbereich erfolgen. Bei dem mindestens einen Prozessparameter handelt es sich um eine physikalische Größe, die Aufschluss über die Vorgänge während der additiven Fertigung gibt und/oder die mit der Bauteilqualität korreliert. Die Bestimmung des mindestens einen Prozessparameters erlaubt damit die reproduzierbare Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen hoher Qualität.
In einer Variante des Verfahrens werden der erfasste Prozessparameter oder die erfassten Prozessparameter zur Regelung des Verfahrens zur additiven Fertigung eingesetzt. In dieser Variante können die Prozessparameter auf gewünschte Sollwerte geregelt werden, womit eine reproduzierbar hohe Bauteilqualität erreicht wird.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens ist der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Temperatur des Plasmas in der Umgebung des Schmelzbades, wobei die Temperatur anhand von Intensitäten von mindestens zwei Photoemissionslinien im Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung bestimmt wird. Das Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise mittels eines Spektrometers gemessen werden. Die Photoemissionslinien im Spektrum sind materialspezifisch und sehr scharf. Die Lage und Intensität dieser Photoemissionslinien ist für die gängigsten Elemente (AI, Ti, Cr, Fe, ...) bekannt, vgl. beispielsweise das elektronische Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Date in der NIST-Datenbank „www.nist.gov/pml/handbook-basic-atomic-spectroscopic-data“.
Aus der Intensität I_i und dem Übergangskoeffizienten g_i einer ersten Photoemissionslinie, der Intensität I_j und dem Übergangskoeffizienten g_j einer zweiten Photoemissionslinie und der Energiedifferenz ΔE_ij der ersten und der zweiten Photoemissionslinie ergibt sich die Temperatur des Plasmas zu $T = \frac{Δ E_{i j}}{k_{B}} In (\frac{I_{i} g_{i}}{I_{j} g_{j}}),$
wobei k_B die Boltzmann-Konstante ist, vgl. die Dissertation „Spectroscopic temperature measurements of Harnes and their physical significance“ (1971), Retrospective Theses and Dissertations, 4422, Iowa State University. In der Notation von Gleichung (25) der Dissertation wird die jeweilige Intensität mit B bzw. mit B' bezeichnet und der Übergangskoeffizient mit 1 / (g_q A_qp v₀) bzw. mit 1 / (g_q' A_q'p' v'₀). Eine Anwendung der Methode ist in dem Artikel „Determination of Plasma Temperature by a Semi-Empirical Method“, F.O. Borges et al., Brazilian Jounal of Physics, Vol. 34, No. 4B, Dezember 2004 beschrieben. Durch die Messung und den Vergleich der Intensitäten mehrerer Linien lässt sich die statistische Genauigkeit leicht erhöhen, indem jeweils für zwei der Linien die Temperatur auf die obige Weise bestimmt wird und aus den so berechneten Temperaturen ein Mittelwert gebildet wird.
Anhand von Intensitäten von mindestens zwei Photoemissionslinien ist also eine absolute Bestimmung der Temperatur in der Umgebung des Schmelzbades und damit direkt innerhalb der Prozesszone möglich. Dies ist insbesondere verglichen mit der oben beschriebenen Schmelzbadüberwachung aus dem Stand der Technik, die auf der Messung die optischen Emissionen basiert, vorteilhaft, da letztere lediglich eine relative Temperaturbestimmung ermöglicht. Das Temperaturgefüge innerhalb der Prozesszone hat wie bereits diskutiert einen direkten Einfluss auf die Bauteilqualität. Die Messung beziehungsweise Regelung der absoluten Temperatur ist folglich für eine Fertigung mit konstant hoher Bauteilqualität vorteilhaft.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens ist der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas in der Umgebung des Schmelzbades, wobei die Strömungsgeschwindigkeit anhand mindestens einer Dopplerverschiebung von mindestens einer Photoemissionslinie im Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung bestimmt wird.
Das lokale Aufschmelzen mittels des Bearbeitungsstrahles geht notwendigerweise mit einer starken lokalen Erhitzung einher. Durch diese starke lokale Erhitzung kommt es zu einer thermischen Konvektionsströmung. Hierbei wird Schutzgas angesaugt und nach oben hin ausgeworfen. Die Bewegung der Teilchen des Plasmas aufgrund der Konvektionsströmung führt zu einer Dopplerverschiebung der Photoemissionslinien im Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung. Die gemessene Wellenlänge λ' einer Photoemissionslinie weicht also von der Wellenlänge λ₀ der Photoemissionlinie, die man ohne jegliche Relativbewegung messen würde, ab. Die durch den Dopplereffekt bedingte Wellenlängenverschiebung Δλ ergibt sich zu $Δ λ = λ_{0} - λ' = λ_{0} \frac{v}{c}$
wobei davon ausgegangen wird, dass die in Detektionsrichtung vorherrschende Strömungsgeschwindigkeit v klein ist verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit c. Aus der Wellenlängenverschiebung Δλ lässt sich also die in Detektionsrichtung vorherrschende Strömungsgeschwindigkeit v in der Umgebung des Schmelzbades gemäß $v = c \frac{Δ λ}{λ_{0}}$
bestimmen. Wie im Fall der Erfassung der Temperatur können auch hier Messunsicherheiten durch eine Mittelung über die aus den Dopplerverschiebungen einer Vielzahl von Photoemissionslinien bestimmten Werte für die Strömungsgeschwindigkeit v ireduziert werden.
Wie die Temperatur hat auch die Strömungssituation innerhalb der Prozesszone einen direkten Einfluss auf die Bauteilqualität. Analog zur Temperatur ist daher auch die Messung beziehungsweise Regelung von Strömungsgeschwindigkeiten in der Umgebung des Schmelzbades für eine Fertigung mit konstant hoher Bauteilqualität vorteilhaft.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens verlaufen der Strahlengang des Laserstrahls und ein Strahlengang der von dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung zumindest teilweise koaxial. Eine solche Vorgehensweise ist besonders einfach und reduziert die Anzahl der für die Messung benötigten optischen Elemente.
Zur Bestimmung von mindestens einem Prozessparameter kann auch (mindestens) ein Messlaserstrahl in die Umgebung des Schmelzbades eingestrahlt werden, wobei der Messlaserstrahl an den Teilchen des Plasmas gestreut wird, und ein Spektrum der an dem Plasma gestreuten Strahlung gemessen und ausgewertet wird. Ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitskomponenten strömender Medien, beispielsweise Plasmen, mittels der Einstrahlung von Licht und der Messung der Dopplerverschiebung des Streulichts findet sich beispielsweise in der DE 3815214 A1 . Ähnliche Verfahren werden auch in der WO 2008/092129 A2 diskutiert. Die Einstrahlung eines Messlaserstrahls und die Messung und Auswertung des Spektrums der gestreuten Strahlung ist jedoch aufwendiger als die Messung und Auswertung des Spektrums der vom Plasma selbst emittierten elektromagnetischen Strahlung, u.a. weil der Messlaserstrahl in die Bearbeitungskammer geführt werden muss, in der das Pulver lokal aufgeschmolzen wird. Bestehende Systeme zur additiven Fertigung können daher wesentlich einfacher auf den Einsatz des weiter oben beschriebenen Verfahrens hin angepasst werden.
Die oben genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt auch gelöst durch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile der eingangs genannten Art, weiter umfassend: eine Sammeloptik, die ausgebildet ist, eine von einem Plasma, das sich beim Aufschmelzen in einer Umgebung des Schmelzbades bildet, emittierte elektromagnetische Strahlung zu sammeln, ein Spektrometer zur Messung eines Spektrums der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung und eine Auswertungseinheit zur Bestimmung von mindestens einem Prozessparameter durch Auswertung des Spektrums der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung.
Im Allgemeinen wird von der Sammeloptik nicht nur die vom Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung gesammelt, sondern ebenso die thermische Strahlung des Schmelzbades. Während die vom Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung materialcharakteristische Photoemissionslinien aufweist, entspricht das thermische Leuchten des Schmelzbades einer kontinuierlichen Schwarzkörperstrahlung. Im Spektrometer wird im Allgemeinen das Spektrum der Überlagerung beider Anteile gemessen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Signatur lassen sich die Anteile allerdings voneinander trennen: Bei kurzen Wellenlängen ist die Schwarzkörperstrahlung schwächer, so dass dort der von den materialcharakteristischen Photoemissionslinien herrührende Anteil dominiert.
Die Sammeloptik kann beispielsweise eine Linse oder ein Objektiv aufweisen. Die Auswertungseinheit ist typischerweise ausgebildet, den mindestens einen Prozessparameter aus einem Vergleich des gemessenen Spektrums mit mindestens einem Referenzspektrum, aus einem Vergleich mindestens einer aus dem gemessenen Spektrum abgeleiteten Größe mit tabellierten oder in geeigneten Referenzmessungen bestimmten Größen oder durch Berechnung ausgehend von mindestens einer aus dem gemessenen Spektrum abgeleiteten Größe zu bestimmen. Bezüglich der mit der Vorrichtung und ihrer im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erzielten Vorteile sei auf die obigen Ausführungen in Bezug auf das Verfahren und seine Varianten verwiesen.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Regelungseinrichtung zur Regelung der additiven Fertigung anhand des mindestens einen Prozessparameters. Die Regelungseinrichtung ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem mindestens einen Prozessparameter mindestens einen Parameter der additiven Fertigung zu verändern. Für den Fall, dass es sich bei dem Prozessparameter um die Temperatur des Plasmas handelt, kann die Regeleinrichtung ausgebildet sein, als Stellgröße die Leistung des Bearbeitungsstrahls oder die Wärmeleistung einer Heizeinrichtung zur Heizung des Pulverbetts zu verändern, um die Temperatur des Plasmas auf eine Solltemperatur zu regeln.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Bearbeitungsstrahl ein Laserstrahl und zumindest Teile der Bearbeitungsoptik bilden die Sammeloptik. Der Strahlengang des Laserstrahls und der Strahlengang der von dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung sind in diesem Fall zumindest teilweise koaxial. Die Bearbeitungsoptik umfasst typischerweise eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Laserstrahls auf der Oberfläche des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials. Die Bestrahlung mit der durch die Fokussierung bedingten hohen Intensität führt dann zum lokalen Aufschmelzen des Ausgangsmaterials und es bilden sich das Schmelzbad und das Plasma in der Umgebung des Schmelzbades.
Die Fokussiereinrichtung, bei der es sich beispielsweise um ein Objektiv handeln kann, kann nun gleichzeitig dazu dienen, die vom Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung zu sammeln. Fungieren zumindest Teile der Bearbeitungsoptik als Sammeloptik, so ist der Messaufbau in der Regel besonders einfach und kommt mit vergleichsweise wenigen optischen Elementen aus, was die Kosten reduziert. Des Weiteren erlaubt eine solche Bauweise die einfache Integration in bereits existierende Systeme. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Sammeloptik und die Bearbeitungsoptik und somit auch deren Strahlengänge zu trennen. In diesem Fall ist die Sammeloptik typischerweise ebenfalls außerhalb einer Bearbeitungskammer angeordnet, in der das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial aufgeschmolzen wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Temperatur des Plasmas in der Umgebung des Schmelzbades und die Auswertungseinrichtung ist ausgebildet, die Temperatur anhand von Intensitäten von mindestens zwei Photoemissionslinien im Spektrum der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Dies kann auf die weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebene Weise erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Strömungsgeschwindigkeit in der Umgebung des Schmelzbades, und die Auswertungseinrichtung ist ausgebildet, die Strömungsgeschwindigkeit anhand mindestens einer Dopplerverschiebung von mindestens einer Photoemissionslinie im Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Für die Messung der bei typischen Strömungsgeschwindigkeiten sehr kleinen Dopplerverschiebungen sollte das Spektrometer besonders hochauflösend sein; die Wellenlängenauflösung sollte unter 0,1 pm, bevorzugt unter 0,05 pm liegen. Geeignete Spektrometer sind beispielsweise Scanning Fabry-Perot Interferometer. Dabei handelt es sich um Fabry-Perot Interferometer, bei welchen die Resonatorlänge beispielweise über piezoelektrische Aktuatoren kontinuierlich einstellbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, die zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter eines Plasmas eine Sammeloptik, ein Spektrometer und eine Auswertungseinheit aufweist,
2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufschmelzens eines in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials durch Bestrahlen mit einem Bearbeitungsstrahl, wobei sich ein Schmelzbad und ein Plasma bilden und es zu einer thermischen Konvektionsströmung kommt,
3 eine schematische Darstellung eines Spektrums einer vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung mit Photoemissionslinien, anhand derer eine Temperatur und eine Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas bestimmbar sind.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile 2, umfassend eine Strahlquelle 3, eine Bearbeitungsoptik 4, sowie eine Bearbeitungskammer 5.
Das dreidimensionale Bauteil 2 wird in der Bearbeitungskammer 5 in einer Schutzgasatmosphäre G Schicht für Schicht aus einem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6 aufgebaut. Bei dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6 handelt es sich um ein Metall, es kann sich aber auch um eine Keramik oder um ein anderes Material handeln. Zunächst wird in einem ersten Schritt eine dünne Schicht aus dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6 auf einen Träger 7 aufgetragen. Die Vorrichtung 1 weist dazu eine nicht bildlich dargestellte Einrichtung zum Auftragen von Pulverschichten auf.
Die Strahlquelle 3 emittiert einen Bearbeitungsstrahl in Form eines Laserstrahls 8. Der Laserstrahl 8 passiert einen Strahlteiler 9 und die Bearbeitungsoptik 4, die ausgebildet ist, das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial 6 durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl 8 lokal aufzuschmelzen. Der Laserstrahl wird dazu mittels einer Fokussiereinrichtung 10 fokussiert, welche Teil der Bearbeitungsoptik 4 ist. Die in 1 vereinfacht dargestellte Fokussiereinrichtung 10 besteht aus einer Linse 11, abweichend davon kann die Fokussiereinrichtung 10 aber auch mehrere Linsen oder ein Objektiv aufweisen. Der fokussierte Laserstrahl 8 tritt durch ein Fenster 12 in die Bearbeitungskammer 5 und trifft auf das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial 6. Durch die lokale Bestrahlung schmilzt das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial 6 in der Pulverschicht lokal auf und erstarrt als Teil des zu fertigenden dreidimensionalen Bauteils 2.
Die Bearbeitungsoptik 3 weist weiter eine Scannereinrichtung 13 zum Ablenken des Laserstrahls 8 auf. Die hier vereinfacht dargestellte Scannereinrichtung 13 besteht aus einem um zwei Drehachsen drehbaren Scannerspiegel 14, sie kann aber beispielsweise auch zwei Scannerspiegel in Form von Galvanometerspiegeln aufweisen. Durch ein Ablenken des Laserstrahls 8 mittels der Scannereinrichtung 13 können nahezu beliebige, zunächst noch im Wesentlichen zweidimensionale, Formen erzielt werden. In jedem weiteren Schritt wird erneut jeweils zunächst eine dünne Schicht aus dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6 auf den bereits gefertigten Teil des dreidimensionalen Bauteils 2 aufgetragen. Weiter geht man analog zum ersten Schritt vor. Die aufgetragene Schicht wird also mit dem Laserstrahl 8 lokal bestrahlt, aufgeschmolzen und mit den tieferliegenden Schichten des dreidimensionalen Bauteils 2 stoffschlüssig verbunden. Diese Vorgehensweise wird wiederholt bis alle Schichten des dreidimensionalen Bauteils 2 gefertigt sind.
Wie dies in 2 in einer Detaildarstellung gezeigt ist, bildet sich beim Bestrahlen des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials 6 mit dem Laserstrahl 8 ein Schmelzbad 15 und in einer Umgebung 16 des Schmelzbades 15, hier direkt oberhalb des Schmelzbades 15, ein Plasma 17, das elektromagnetische Strahlung 18 emittiert. Das beim Bestrahlen gebildete Schmelzbad 15 setzt sich durch Wärmeleitung sowohl lateral als auch in der Tiefe in flüssigem Zustand fort. Das Plasma 17, welches die elektromagnetische Strahlung 18 emittiert, besteht aus Schutzgas G und Schmelzbad-Bestandteilen.
Die Fokussiereinrichtung 10 dient im gezeigten Beispiel als Sammeloptik 19, welche die vom Plasma 17 emittierte elektromagnetische Strahlung 18 sammelt. Im dargestellten Fall verlaufen die Strahlengänge des Laserstrahls 8 und der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung 18 folglich teilweise koaxial. Die Sammeloptik 19 muss aber nicht Teil der Bearbeitungsoptik 4 sein. In diesem Fall verlaufen der Strahlengang des Laserstrahls 8 und der Strahlengang der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung 18 nicht koaxial.
Die Vorrichtung 1 weist weiter ein Spektrometer 20 und eine Auswertungseinheit 21 auf. Das Spektrometer 20 dient zur Messung eines Spektrums 22 der gesammelten elektromagnetischen Strahlung 18, die zuvor die Scannereinrichtung 13 und den Strahlteiler 9 passiert hat. Die Auswertungseinheit 21 dient zur Bestimmung von mindestens einem Prozessparameter durch Auswertung des Spektrums 22 der gesammelten elektromagnetischen Strahlung 18. Das in 1 gezeigte Spektrum 22 weist scharfe, materialspezifische Photoemissionslinien P_i mit dazugehörigen Intensitäten I_i auf. Die Lage und die Stärke dieser Photoemissionslinien P_i ist für eine Vielzahl von Materialien aus Spektroskopiedaten bekannt. Anhand der Intensitäten I_i kann eine Temperatur T des Plasmas bestimmt werden, anhand einer Dopplerverschiebung der Photoemissionslinien P_i außerdem eine Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 in der Umgebung 16 des Schmelzbades 15. Die Auswertung des Spektrums 22 der vom Plasma 17 emittierten elektromagnetischen Strahlung 18 ist allerdings nicht auf Temperaturen T und Strömungsgeschwindigkeiten v beschränkt.
Die Vorrichtung 1 weist auch eine Regelungseinrichtung 23 auf, um die additive Fertigung anhand des mindestens einen Prozessparameters, beispielsweise der Temperatur T oder der Strömungsgeschwindigkeit v, zu regeln. Zu diesem Zweck kann die Regelungseinrichtung 23 Stellgrößen der additiven Fertigung geeignet anpassen. Beispielsweise kann die Regelungseinrichtung 23 auf die Strahlquelle 3 einwirken, um die Leistung des Laserstrahls 8 in Abhängigkeit von der gemessenen Ist-Temperatur T des Plasmas 17 anzupassen, um eine Soll-Temperatur des Plasmas 17 zu erreichen. Eine entsprechende Anpassung einer oder mehrerer Stellgrößen mit Hilfe der Regelungseinrichtung 23 kann auch in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 erfolgen.
Die Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 verläuft im gezeigten Beispiel im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Schmelzbades 15: Aufgrund der durch die Bestrahlung bedingten starken lokalen Erhitzung kommt es zu einer thermischen Konvektionsströmung 24 (vgl. 2). Schutzgas G wird seitlich angesaugt und nach oben hin ausgeworfen. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel zeigt die die Bewegungsrichtung 25 des Laserstrahls 8 von links nach rechts, die Bewegung des Laserstrahls 8 hat aber praktisch keinen Einfluss auf die Strömungsrichtung des Plasmas 17, die von dem Spektrometer 20 gemessen wird.
3 zeigt beispielhaft ein Spektrum 22 der vom Plasma 17, genauer gesagt von in dem Plasma 17 enthaltenen Metallionen, emittierten elektromagnetischen Strahlung 18. Auf der Abszissenachse ist die Wellenlänge λ aufgetragen, auf der Ordinatenachse die gemessene Intensität I oder Leistung. Das Spektrum 22 weist scharfe, materialspezifische Photoemissionslinien P_i mit entsprechenden Intensitäten I_i auf. Stellvertretend dargestellt sind hier drei Photoemissionslinien P₁, P₂, P₃ mit drei entsprechenden Intensitäten I₁, I₂, I₃, typischerweise weist das Spektrum 22 jedoch mehr als drei Photoemissionslinien P_i auf. Die Prozessdynamik beeinflusst die Photoemissionslinien P_i folgendermaßen:

(1) Die Stärke (Helligkeit der Emission) der Übergänge ist temperaturabhängig.
(2) Die Relativbewegung der Atome aufgrund von Konvektion führt zu einer Dopplerverschiebung der Wellenlänge λ der vom Plasma 17 emittierten Strahlung (Blauverschiebung).

Diese Veränderungen werden von der Auswertungseinheit 21 genutzt, um die Temperatur T und die Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 zu bestimmen. Die Temperatur T des Plasmas ergibt sich jeweils paarweise aus zwei der drei Intensitäten I₁, I₂, I₃ der Photoemissionslinien P₁, P₂, P₃, den Energiedifferenzen ΔE₁₂, ΔE₁₃, ΔE₂₃ der Übergänge und den Übergangskoeffizienten g₁, g₂, g₃ gemäß $T = \frac{Δ E_{i, j}}{k_{B}} In (\frac{I_{i} g_{i}}{I_{j} g_{j}}),$
wobei k_B die Boltzmann-Konstante ist und i, j = 1,2,3; i ≠ j. Aus den drei Photoemissionslinien P₁, P₂, P₃ ergeben sich also drei Temperaturen T. Für die weitere Auswertung bzw. für die Bestimmung einer einzigen Temperatur T des Plasmas 17 wird aus diesen drei Temperaturen T von der Auswertungseinrichtung 21 beispielweise ein Mittelwert gebildet. Zieht man weitere Photoemissionslinien P_i zur Auswertung heran, kann die statistische Genauigkeit erhöht werden.
Die in Detektionsrichtung vorherrschende Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 ergibt sich aus der Dopplerverschiebung der Photoemissionslinien P_i. Durch den Dopplereffekt weicht die gemessene Frequenz ƒ' einer Photoemissionslinie P_i von der Frequenz ƒ₀ der Photoemissionlinie P_i, die man ohne jegliche Relativbewegung messen würde, ab. Es gilt der aus der speziellen Relativitätstheorie bekannte Ausdruck $f' = f_{0} \sqrt{\frac{c + v}{c - v}}$
mit der Lichtgeschwindigkeit c. Damit ergibt sich eine Frequenzverschiebung Δƒ von $Δ f = f_{0} - f' = f_{0} (1 - \sqrt{\frac{c + v}{c - v}}) .$
Aus der Frequenzverschiebung ergibt sich die durch den Dopplereffekt bedingte Doppler- bzw. Wellenlängenverschiebung Δλ zu $Δ λ = λ_{0} - λ' = c (\frac{1}{f_{0}} - \frac{1}{f_{0} + Δ f}) .$
Für Strömungsgeschwindigkeiten v, die klein sind gegenüber der Lichtgeschwindigkeit c, ergibt sich als Approximation $λ' = λ_{0} (1 - \frac{v}{c}),$
oder für die Geschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Wellenlängenverschiebung $v = c \frac{Δ λ}{λ_{0}} .$
Als Beispiel sei die Photoemissionslinie P_i eines Eisen-Plasmas betrachtet, die ohne Relativbewegung eine Frequenz von ƒ₀ = 684 · 10¹² Hz, entsprechend einer Wellenlänge von λ₀ = 438 nm aufweist. Eine typische Strömungsgeschwindigkeit in Detektionsrichtung aufgrund von Konvektion von $v = 50 \frac{m}{s}$
resultiert in einer Frequenzverschiebung von $Δ f = f_{0} (1 - \sqrt{\frac{c + v}{c - v}}) = 114 MHz,$
entsprechend einer Wellenlängenverschiebung von $Δ λ = c (\frac{1}{f_{0}} - \frac{1}{f_{0} + Δ f}) = - 0.073 pm .$
Die Detektion der sehr kleinen Wellenlängenverschiebung Δλ beziehungsweise Frequenzverschiebung Δƒ von weniger als 0,1 pm beziehungsweise betragsmäßig weniger als ca. 120 MHz ist eine Herausforderung. Als kostengünstige Lösung bietet sich die Verwendung eines Scanning Fabry-Perot Interferometers als Spektrometer 20 an, womit eine Frequenzauflösung von 1-2 MHz erreicht wird.
Zusammenfassend ermöglichen das weiter oben beschriebene Verfahren und die weiter oben beschriebene Vorrichtung 1 eine direkte, störungsfreie Messung von Prozessparametern wie der Temperatur T innerhalb der Prozesszone und der Strömungsgeschwindigkeit v oberhalb des Schmelzbades 15.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3815214 A1 [0017]
WO 2008/092129 A2 [0017]

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile (2), bei dem ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial (6) mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (8), lokal aufgeschmolzen wird und sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter (T, v) der additiven Fertigung ein Spektrum (22) einer von einem Plasma (17), das sich beim Aufschmelzen in einer Umgebung (16) des Schmelzbades (15) bildet, emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) gemessen und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Prozessparameter (T, v) oder die erfassten Prozessparameter (T, v) zur Regelung des Verfahrens zur additiven Fertigung eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Temperatur (T) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) ist, wobei die Temperatur (T) anhand von Intensitäten (Ii) von mindestens zwei Photoemissionslinien (P_l) im Spektrum (22) der vom Plasma (17) emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Strömungsgeschwindigkeit (v) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) ist, wobei die Strömungsgeschwindigkeit (v) anhand mindestens einer Dopplerverschiebung (Δλ) von mindestens einer Photoemissionslinie (P_i) im Spektrum (22) der vom Plasma (17) emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Strahlengang des Laserstrahls (8) und ein Strahlengang der von dem Plasma (17) emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) zumindest teilweise koaxial verlaufen.
Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile (2), umfassend - eine Strahlquelle (3), die einen Bearbeitungsstrahl, insbesondere einen Laserstrahl (8), emittiert und - eine Bearbeitungsoptik (4), die ausgebildet ist, ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial (6) durch Bestrahlung mit dem Bearbeitungsstrahl lokal aufzuschmelzen, wobei sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weitergehend umfasst: - eine Sammeloptik (19), die ausgebildet ist, eine von einem Plasma (17), das sich beim Aufschmelzen in einer Umgebung (16) des Schmelzbades (15) bildet, emittierte elektromagnetische Strahlung (18) zu sammeln, - ein Spektrometer (20) zur Messung eines Spektrums (22) der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung (18) und - eine Auswertungseinheit (21) zur Bestimmung von mindestens einem Prozessparameter (T, v) durch Auswertung des Spektrums (22) der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung (18).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Regelungseinrichtung (23) zur Regelung der additiven Fertigung anhand des mindestens einen Prozessparameters (T, v) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl ein Laserstrahl (8) ist und zumindest Teile der Bearbeitungsoptik (4) die Sammeloptik (19) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Temperatur (T) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) ist und die Auswertungseinrichtung (21) ausgebildet ist, die Temperatur (T) anhand von Intensitäten (I_i) von mindestens zwei Photoemissionslinien (P_i) im Spektrum (22) der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung (18) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Strömungsgeschwindigkeit (v) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) ist, und die Auswertungseinrichtung (21) ausgebildet ist, die Strömungsgeschwindigkeit (v) anhand mindestens einer Dopplerverschiebung (Δλ) von mindestens einer Photoemissionslinie (P_i) im Spektrum (22) der vom Plasma (17) emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) zu bestimmen.