DE102022108991A1

DE102022108991A1 - Gerät und verfahren zum kalibrieren von on-axistemperatursensorenfür additive fertigungssysteme

Info

Publication number: DE102022108991A1
Application number: DE102022108991.6A
Authority: DE
Inventors: Darren Beckett; Martin S. Piltch; Lars Jacquemetton; Alberto M. Castro; Brett Diehl
Original assignee: Sigma Labs Inc
Current assignee: Sigma Additive Solutions Inc
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2022-04-13
Publication date: 2022-10-13
Also published as: JP2022163001A; US20220324026A1

Abstract

Diese Offenlegungsschrift beschreibt diverse Verfahren und Geräte zur Kalibrierung von Temperatursensoren in additiven Fertigungssystemen. Ein Verfahren zur Kalibrierung von Temperatursensoren kann das Auswählen einer ersten Wellenlänge und einer zweiten, von der ersten Wellenlänge beabstandeten Wellenlänge einschließen; Messen einer Menge an Energie, welche von einer Schwarzkörperquelle mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird; Messen einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird; Erzeugen einer Beziehung zwischen einem Verhältnis der Menge an Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, zu einer Menge an Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird; Bestimmen, unter Verwendung der Beziehung, von Variationen einer Temperatur einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems, basierend auf einem Verhältnis von Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, zu Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der Provisorischen U.S.-Patentanmeldung Nr. 63/174,435 , betreffend „Verfahren zum Kalibrieren von On-axis-Temperatursensoren für ein additives Fertigungssystem“, eingereicht am 13. April 2021, und gegenüber der Provisorischen U.S.-Patentanmeldung Nr. 63/305,583 , betreffend „Thermische Kalibrierung von radiometrischem Schmelzepool-Monitoring-Photodetektor“, eingereicht am 1. Februar 2022, welche hiermit durch Bezugnahme in Gänze und zu allen Zwecken aufgenommen werden.
GEBIET
Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf additive Fertigungssysteme und insbesondere beziehen sich die vorliegenden Ausführungsformen auf Geräte und Verfahren zur Kalibrierung von Temperatursensoren für additive Fertigungssysteme.
HINTERGRUND
Additive Fertigung oder die sequenzielle Montage bzw. der sequenzielle Bau eines Teils durch die Kombination von Materialhinzufügung und angelegte Energie nimmt zahlreiche Formen an und existiert derzeit in vielen spezifischen Implementierungen und Ausführungsformen. Additive Fertigung kann unter Verwendung einer beliebigen Anzahl von diversen Prozessen ausgeführt werden, welche die Bildung eines dreidimensionalen Teils von praktisch jeder beliebigen Form involvieren. Den diversen Prozessen ist Folgendes gemeinsam: Sintern, härten oder Schmelzen von flüssigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Material, Schicht für Schicht, jeweils unter Verwendung von ultraviolettem Licht, Hochleistungslaser oder Elektronenstrahl. Unglücklicherweise sind die etablierten Verfahren zur Bestimmung einer Qualität eines auf diese Weise gefertigten Teils begrenzt. Konventionelle Qualitätssicherungs-Testung involviert allgemein dem Prozess nachgelagerte Messungen von mechanischen, geometrischen oder metallurgischen Eigenschaften des Teils, welche gewöhnlich die Zerstörung des Teils nach sich ziehen. Zwar ist die zerstörende Testung eine akzeptierte Art der Validierung der Qualität eines Teils, da sie eine eingehende Untersuchung der diversen internen Merkmale des Teils ermöglicht, doch aus offensichtlichen Gründen können solche Teile nicht auf ein Produktionsteil angewandt werden. Folglich sind Arten der zerstörungsfreien und akkuraten Überprüfung der mechanischen, geometrischen und metallurgischen Eigenschaften eines Produktionsteils, das durch additive Fertigung erzeugt wird, wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG
In einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Kalibrierung in einem additiven Fertigungssystem offengelegt. Das Verfahren schließt Messen einer Menge an Energie ein, welche von einer Schwarzkörperquelle mit einer ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, Messen einer Menge an Energie, welche durch die Schwarzkörperquelle mit einer zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, wobei die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge beabstandet ist, und Erzeugen einer Beziehung zwischen einem Verhältnis der Menge an Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, und der Menge an Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird.
In einigen Ausführungsformen wird die Messung einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, durch einen ersten Photodetektor durchgeführt, und die Messung einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, wird durch einen zweiten Photodetektor durchgeführt.
In einigen Ausführungsformen schließt das Messen einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, das Sammeln erster Spannungen ein, welche durch den ersten Photodetektor in Reaktion auf das Empfangen der von der Schwarzkörperquelle ausgestrahlten Energie erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen schließt das Messen einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, das Sammeln zweiter Spannungen ein, welche durch den ersten Photodetektor in Reaktion auf das Empfangen der von der Schwarzkörperquelle ausgestrahlten Energie erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen schließt das Erzeugen der Beziehung das Erzeugen eines Verhältnisses von ersten Spannungen zu zweiten Spannungen ein.
In einigen Ausführungsformen ist die Schwarzkörperquelle dort positioniert, wo ein Schmelzepool in einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems während eines Betriebs des additiven Fertigungssystems befindlich wäre.
In einigen Ausführungsformen schließt die Schwarzkörperquelle eine Halogenlampe ein.
In einigen Ausführungsformen schließt das Verfahren zur Kalibrierung in dem additiven Fertigungssystem ferner das Bestimmen ein, unter Verwendung der Beziehung, von Variationen einer Temperatur einer Bauebene des additiven Fertigungssystems, basierend auf einem Verhältnis von Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, zu Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird.
In einigen Ausführungsformen schließt das Verfahren zur Kalibrierung in dem additiven Fertigungssystem ferner das Bestimmen einer Temperatur eines Schmelzepools in einer Bauebene des additiven Fertigungssystems ein, durch Messen von Mengen an Energie, welche durch den Schmelzepool mit der ersten und der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, und unter Verwendung des Verhältnisses der ersten Spannungen zu den zweiten Spannungen, um die Temperatur des Schmelzepools zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen wird ein Kalibrierungsgerät offengelegt. Das Kalibrierungsgerät schließt einen ersten und einen zweiten optischen Sensor ein, welche angeordnet sind, um eine von einem Baubereich eines additiven Fertigungssystems mit jeweils einer ersten Bandbreite und einer zweiten Bandbreite ausgesendete Strahlungsintensität aufzuzeichnen, eine Schwarzkörperquelle, einen Prozessor und einen Speicher, welcher mit dem Prozessor gekoppelt ist und Anweisungen einschließt, welche durch den Prozessor ausgeführt werden können, wobei die Anweisungen den Prozessor veranlassen zum: Sammeln einer gemessenen Menge an Energie, durch den ersten optischen Sensor, welche von der Schwarzkörper-Lichtquelle mit der ersten Bandbreite ausgestrahlt wird, Sammeln einer gemessenen Menge an Energie, durch den zweiten optischen Sensor, welche durch die Schwarzkörper-Lichtquelle mit der zweiten Bandbreite ausgestrahlt wird, und Erzeugen einer Kalibrierungsbeziehung, basierend auf einem Verhältnis zwischen der gesammelten gemessenen Menge an Energie, welche mit der ersten Bandbreite ausgestrahlt wurde, und der gesammelten gemessenen Menge an Energie, welche mit der zweiten Bandbreite ausgestrahlt wurde.
In einigen Ausführungsformen sind der erste und der zweite optische Sensor jeweils der erste und der zweite Photodetektor.
In einigen Ausführungsformen schließt das Erzeugen der Kalibrierungsbeziehung das Erzeugen eines Verhältnisses zwischen ersten, durch den ersten Photodetektor bei bekannten Schwarzkörperquellen-Temperaturen erzeugten Spannungen, und zweiten, durch den zweiten Photodetektor bei bekannten Schwarzkörperquellen-Temperaturen erzeugten Spannungen ein.
In einigen Ausführungsformen ist die Schwarzkörperquelle dort positioniert, wo der Baubereich in einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems während eines Betriebs des additiven Fertigungssystems befindlich wäre.
In einigen Ausführungsformen schließt die Schwarzkörperquelle eine Wolframbandlampe ein.
In einigen Ausführungsformen veranlassen die Anweisungen den Prozessor ferner zum Bestimmen von Variationen einer Temperatur einer Bauebene des additiven Fertigungssystems, basierend auf einem Verhältnis zwischen einer Menge an Energie, welche mit der ersten Bandbreite ausgestrahlt wird und einer Menge an Energie, welche mit der zweiten Bandbreite ausgestrahlt wird.
In einigen Ausführungsformen veranlassen die Anweisungen den Prozessor ferner zum Bestimmen einer Temperatur des Baubereichs des additiven Fertigungssystems, basierend auf einem Verhältnis zwischen einer Menge an Energie, welche durch den Baubereich mit der ersten Bandbreite ausgestrahlt wird und einer Menge an Energie, welche mit der zweiten Bandbreite ausgestrahlt wird, während eines Betriebs des additiven Fertigungssystems unter Verwendung der Kalibrierungsbeziehung.
In einigen Ausführungsformen wird ein Kalibrierungsverfahren offengelegt. Das Kalibrierungsverfahren schließt Erzeugen erster Spannungen durch einen ersten Photodetektor ein, in Reaktion auf das Empfangen einer Menge an Energie, welche von einer Schwarzkörperquelle mit einer ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, wobei die Schwarzkörperquelle eine bekannte Temperatur aufweist, Erzeugen von zweiten Spannungen durch einen zweiten Photodetektor, in Reaktion auf das Empfangen einer Menge an Energie, welche von einer Schwarzkörperquelle bei einer zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, wobei die Schwarzkörperquelle die bekannte Temperatur aufweist, und Erzeugen einer Kalibrierungsbeziehung, basierend auf einem Verhältnis zwischen den ersten Spannungen und den zweiten Spannungen.
In einigen Ausführungsformen schließt das Kalibrierungsverfahren ferner das Bestimmen ein, unter Verwendung der Kalibrierungsbeziehung, von Variationen einer Temperatur einer Bauebene des additiven Fertigungssystems, basierend auf einem Verhältnis von Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, zu Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird.
In einigen Ausführungsformen schließt die Schwarzkörperquelle eine Halogenlampe ein.
In einigen Ausführungsformen ist die Schwarzkörperquelle dort positioniert, wo ein geschmolzener Bereich in einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems während eines Betriebs des additiven Fertigungssystems befindlich wäre.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Beispiel eines additiven Fertigungssystems, welches mit mehreren optischen Sensoren ausgerüstet ist, und veranschaulicht eine Schwarzkörperquelle, welche zum Kalibrieren der optischen Sensoren verwendet wird, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht ein Beispiel eines Kalibrierungsdiagramms für eine Schwarzkörperquelle, welche zum Kalibrieren des in 1 gezeigten additiven Fertigungssystems verwendet werden kann;
3 veranschaulicht ein Beispiel eines Schwarzkörper-Kalibrierungsspektrums, welches durch die in 1 gezeigte Schwarzkörperquelle erzeugt werden kann;
4 veranschaulicht ein Beispiel einer Kalibrierungsbeziehung, welche verwendet werden kann, um eine Temperatur eines Schmelzepools unter Verwendung von Messwerten zu identifizieren, welche von den beiden optischen Sensoren des in 1 gezeigten additiven Fertigungssystems abgenommen werden;
5A veranschaulicht ein Beispiel eines Diagramms, welches Sensormesswerte zeigt, welche durch ein Spektrometer während eines additiven Fertigungsschrittes erfasst werden, gemäß Ausführungsformen der Offenlegungsschrift;
5B veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm, welches mindestens einen Teil von Sensormesswerten abbildet, welche durch das in 5A verwendete Spektrometer nach dem Platzieren eines Bandpassfilters an dem Spektrometer erfasst werden;
6 veranschaulicht Temperaturdaten für eine Schicht der Bauebene nach Ausführungsformen der Offenlegungsschrift;
7 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform eines additiven Fertigungsgerätes, welches einen oder mehrere kalibrierte Sensoren nach einer Ausführung der Offenlegungsschrift einsetzen kann;
8 zeigt ein Bild eines in 7 gezeigten Kalibrieraufbaus nach einer Ausführungsform der Offenlegungsschrift;
9 zeigt ein Diagramm, welches ein Sensorspannungssignal als eine Funktion der Zeit nach dem Einschalten einer Kalibrierungslampe des Kalibrierungsaufbaus von 7 nach einer Ausführungsform der Offenlegungsschrift veranschaulicht;
10 zeigt eine Sollwert-Temperatur im Vergleich zum Mittelwert-Signalverhältnis mit Kurvenanpassung für die in 7 gezeigten Sensoren nach einer Ausführungsform der Offenlegungsschrift;
11 zeigt eine Sollwert-Temperatur im Vergleich zum Mittelwert-Signalverhältnis mit Kurvenanpassung mit einem Neutraldichtefiltersystem in dem in 7 gezeigten System nach einer Ausführungsform der Offenlegungsschrift;
12 zeigt ein Streudiagramm von Temperaturwerten für eine vollbelegte Bauplatte nach einer Ausführungsform der Offenlegungsschrift; und
13 zeigt ein Streudiagramm von kalibrierten Temperaturwerten für eine volle Bauplatte nach einer Ausführungsform der Offenlegungsschrift.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dieser Offenlegungsschrift werden Geräte und Verfahren für Überwachungssysteme von Kalibrierungsprozessen in additiven Fertigungssystemen beschrieben. Insbesondere werden Geräte und Verfahren zur Kalibrierung von On-axis-Temperatursensoren für additive Fertigungssysteme beschrieben. In einigen Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Offenlegungsschrift Photodioden, welche in einem additiven Fertigungssystem verwendet werden können. In diversen Ausführungsformen kann das additive Fertigungssystem angeordnet sein, um Strahlungsspektren eines geschmolzenen Bereichs eines Pulverbettes über ein Paar von On-axis-Photodioden zu sammeln, welche jeweils unterschiedliche Bandbreiten überwachen. Zum Kalibrieren der Sensormesswerte mit tatsächlichen Temperaturen kann eine Schwarzkörper-Kalibrierungsquelle (beispielsweise eine Halogenlampe) dort platziert werden, wo der geschmolzene Bereich des Pulverbettes sich befinden würde, und Spannungen von jeder der Photodioden können für bekannte Temperaturen der Schwarzkörperquelle gesammelt werden.
Ein Verhältnis der Spannungen der Photodioden kann mit bekannten Temperaturen des Schwarzkörpers korreliert werden, um eine Kalibrierungsbeziehung für das System zu erzeugen. So kann im Betrieb das Verhältnis der Spannungen der Photodioden in Echtzeit gesammelt und mit der Kalibrierungsbeziehung eingesetzt werden, um die tatsächliche Temperatur des geschmolzenen Bereichs abzuleiten. Die Kenntnis der tatsächlichen Temperatur des geschmolzenen Bereichs kann verwendet werden, um zu detektieren, wann der Schmelzepool zu kühl oder zu warm ist, was Fehler in dem Teil hervorrufen kann, wie nachstehend detaillierter beschrieben.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegungsschrift können eine thermische Kalibrierung eines radiometrischen On-axis-Schmelzepool-Monitoring-Photodetektorsystems unter Verwendung einer Wolframbandlampe ermöglichen. Zwar kann die vorliegende Offenlegungsschrift für eine breite Vielfalt von Konfigurationen nützlich sein, doch einige Ausführungsformen der Offenlegungsschrift sind besonders nützlich zur Kalibrierung von prozessinternen Qualitätssicherungssystemen, wie nachstehend detaillierter beschrieben.
Einige Ausführungsformen legen ein Verfahren zum Gebrauch einer kalibrierten Wolframbandlampe als eines Referenzstandards zum Kalibrieren eines auf einem Photodetektor basierenden On-axis-Schmelzepool-Monitoringsystems für das additive Fertigungssystem offen. Hierin offengelegte Kalibrierungsverfahren können das Referenzieren physischer Temperaturwerte basierend auf gemessenen Photodetektorsignalen ermöglichen. In diversen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Gebrauch eines regressionsbasierenden Modells, basierend auf der Theorie der Bichromatischen Planck'schen Thermometrie, offengelegt. In einigen Ausführungsformen kann eine kalibrierte Wolframlampe innerhalb eines additiven Fertigungssystems platziert werden, und die resultierenden Photodetektorsignale, welche an unterschiedlichen Lampen-Temperatursollwerten gemessen werden, können zur Kalibrierung des regressionsbasierten Modells verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen werden diverse zusätzliche Charakterisierungs-Testergebnisse offengelegt, welche sich auf zeitabhängige Reaktionen der Wolframlampe, auf räumliche Merkmale, Messrauschen als eine Funktion der Abtastzeit und auf spektroskopische Messungen der Optiken des additiven Fertigungssystems und ihres potenziellen Effekts auf die Temperaturkalibrierung beziehen, um die Genauigkeit der gemessenen Temperatur zu verbessern. In diversen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Normalisierung der Temperaturmesswerte über die Bauplatte offengelegt, um positionsabhängige optische Artefakte zu beseitigen, was die Genauigkeit der gemessenen Temperatur erhöht. Hierin werden erfindungsgemäße Ausführungsformen beschrieben, darunter Verfahren, Prozesse, Systeme, Vorrichtungen und dergleichen.
Nun werden mehrere veranschaulichende Ausführungsformen unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche einen festen Bestandteil hiervon bilden. Die folgende Beschreibung stellt lediglich eine bzw. mehrere Ausführungsformen bereit und beabsichtigt keine Begrenzung des Anwendungsbereichs, der Anwendbarkeit oder der Konfiguration der Offenlegungsschrift. Stattdessen stellt die nachfolgende Beschreibung einer bzw. mehrerer Ausführungsformen Fachpersonen eine ausreichende Beschreibung zur Implementierung einer oder mehrerer Ausführungsformen bereit. Es versteht sich, dass diverse Änderungen in Bezug auf Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne sich vom Geist und vom Anwendungsbereich der vorliegenden Offenlegungsschrift zu entfernen. In der nachfolgenden Beschreibung und zum Zwecke der Erläuterung werden spezifische Details festgelegt, um ein umfassendes Verständnis bestimmter erfindungsgemäßer Ausführungsformen zu gewähren. Es wird jedoch ersichtlich, dass diverse Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details in die Praxis umgesetzt werden können. Die Figuren und die Beschreibung beabsichtigen keinerlei Einschränkung. Die Worte „Beispiel“ oder „beispielhaft“ werden hierin mit der Bedeutung verwendet, dass sie „als ein Beispiel, eine Instanziierung oder eine Veranschaulichung dienen“. Eine hierin als „beispielhafte“ oder „Beispiel“ beschriebene Ausführungsform oder Konstruktion ist nicht unbedingt als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Konstruktionen auszulegen.
1 zeigt ein Beispiel eines additiven Fertigungssystems, welches mit multiplen optischen Sensoren gemäß einer Ausführungsform der Offenlegungsschrift ausgerüstet sein kann. In der veranschaulichten Ausführungsform ist eine Schwarzkörperquelle, welche zum Kalibrieren der optischen Sensoren verwendet wird, ebenfalls gezeigt. Das additive Fertigungssystem kann mit drei optischen Sensoren ausgerüstet sein, wobei zwei der optischen Sensoren diskrete Wellenlängen der Strahlung überwachen, um Temperaturvariationen in Echtzeit zu charakterisieren, welche auf einer Bauebene eintreten, und wobei der dritte optische Sensor konfiguriert ist, um thermische Energiedichte zu messen. Die thermische Energiedichte ist für Änderungen der Prozessparameter wie beispielsweise Energiequellenleistung, Energiequellengeschwindigkeit und Schraffurabstand empfänglich. Das additive Fertigungssystem von 1 kann einen Laser 2012 als die Energiequelle verwenden. Der Laser 2012 kann einen Laserstrahl 2001 aussenden, welcher einen teilweise reflektierenden Spiegel 2002 durchquert und in ein Scan- und Fokussierungssystem 2003 eintritt, welches anschließend den Strahl auf einen Bereich 2004 an der Bauebene 2005 projiziert. In einigen Ausführungsformen kann die Bauebene 2005 ein Pulverbett sein. Optische Energie 2006 kann von dem Bereich 2004 aufgrund von hohen Materialtemperaturen und der Emissionseigenschaften der empfangenden Materialien, welche durch den Laserstrahl 2001 bestrahlt werden, abgestrahlt werden.
In der veranschaulichten Ausführungsform kann eine Schwarzkörperquelle 2014 zum Kalibrieren der optischen On-axis-Sensoren 2009 verwendet werden. Die Schwarzkörperquelle 2014 kann charakteristische Strahlung bei einer gegebenen Temperatur aussenden, um die Kalibrierung der On-axis-Sensoren 2009 zu erleichtern. Beispielsweise wird ein repräsentatives Kalibrierungsdiagramm 200 der Schwarzkörperquelle 2014 in 2 gezeigt. Für einen gegebenen gemessenen Strom kann die Schwarzkörperquelle 2014 charakteristische Strahlung bei einer bekannten Schwarzkörpertemperatur aussenden.
In einigen Ausführungsformen kann das Scan- und Fokussierungssystem 2003 konfiguriert sein, um einen Teil der von dem Bereich 2004 ausgesendeten optischen Energie 2006 zu sammeln. In einigen Ausführungsformen können ein Schmelzepool und eine Leuchtschwade zusammenarbeitend Schwarzkörperstrahlung von innerhalb des Bereichs 2004 aussenden. Der Schmelzepool resultiert aus der Verflüssigung von pulverförmigem Metall aufgrund der durch den Laserstrahl 2001 aufgebrachten Energie und bewirkt die Aussendung eines Großteils der optischen Energie 2006, welche zurück in Richtung des Fokussierungssystems 2003 reflektiert wird. Die Leuchtschwade resultiert aus der Verdampfung von Teilen des pulverförmigen Metalls. Der teilweise reflektierende Spiegel 2002 kann einen Großteil der optischen Energie 2006 reflektieren, welche durch das Fokussierungssystem 2003 empfangen wird. Diese reflektierte Energie ist in 1 als optische Energie 2007 angegeben. Die optische Energie 2007 kann durch die optischen On-axis-Sensoren 2009-1 und 2009-2 abgefragt werden. Jeder der optischen On-axis-Sensoren 2009 empfängt einen Teil der optischen Energie 2007 durch die Spiegel 2008-1 und 2008-2. In einigen Ausführungsformen können die Spiegel 2008 konfiguriert sein, um jeweils nur die Wellenlängen λ₁ und λ₂, zu reflektieren. In einigen Ausführungsformen empfangen die optischen Sensoren 2009-1 und 2009-2 insgesamt 80 bis 90 % des durch das optische System reflektierten Lichts. Die optischen Sensoren 2009-1 und 2009-2 können ebenfalls Kerbfilter einschließen, welche konfiguriert sind, um jegliches Licht außerhalb der Wellenlängen λ₁ und λ₂ zu blockieren. Der dritte optische Sensor 2009-3 kann konfiguriert sein, um Licht von dem teilweise reflektierenden Spiegel 2002 zu empfangen. Wie abgebildet, könnte ein zusätzlicher Montagepunkt eingeschlossen sein, welcher die Installation des dritten optischen Sensors 2009-3 ermöglicht. In einigen Ausführungsformen können die optischen Sensoren 2009-1 und 2009-2 durch Kerbfilter abgedeckt sein, während der dritte optische Sensor 2009-3 konfiguriert sein kann, um einen wesentlich breiteren Bereich von Wellenlängen zu messen. In einigen Ausführungsformen kann der optische Sensor 2009-1 oder 2009-2 durch ein Spektrometer ausgetauscht sein, welches konfiguriert ist, um eine anfängliche Charakterisierung einer Schwarzkörperstrahlungskurve vorzunehmen, welche einer Charge von Pulver zugeordnet ist, welches verwendet wird, um einen additiven Fertigungsprozess durchzuführen. Diese Charakterisierung kann anschließend verwendet werden, um zu bestimmen, wie die Wellenlängenfilter der optischen Sensoren 2009-1 und 2009-2 konfiguriert sind, um einen Versatz aufzuweisen und etwaige spektrale Peaks zu vermeiden, welche der durch das Spektrometer charakterisierten Schwarzkörperkurve zugeordnet sind. Diese Charakterisierung wird durchgeführt, bevor ein vollständiger additiver Fertigungsschritt ausgeführt wird.
In einigen Ausführungsformen kann das Scan- und Fokussierungssystem 2003 konfiguriert sein, um einen Teil der optischen Energie 2015 zu sammeln, welche von der Schwarzkörperquelle 2014 (beispielsweise dem Schmelzepoolbereich in dem additiven Fertigungssystem) ausgesendet wird. Insbesondere können ein Schmelzepool und eine Leuchtschwade zusammenarbeiten und Schwarzkörperstrahlung aussenden, welche der Schwarzkörperstrahlung ähnlich ist, welche von der Schwarzkörperquelle 2014 ausgesendet wird. Der Schmelzepool resultiert aus der Verflüssigung von pulverförmigem Metall aufgrund der durch den Laserstrahl 2001 aufgebrachten Energie und bewirkt die Aussendung eines Großteils der optischen Energie 2006, welche zurück in Richtung des Fokussierungssystems 2003 reflektiert wird. Die Leuchtschwade resultiert aus der Verdampfung von Teilen des pulverförmigen Metalls.
Es ist zu beachten, dass die gesammelte optische Energie 2007 möglicherweise nicht denselben spektralen Inhalt aufweist als die durch den Strahlinteraktionsbereich 2004 ausgesendete optische Energie 2006, da die optische Energie 2007 eine gewisse Dämpfung erfahren hat, nachdem sie mehrere optische Elemente wie beispielsweise teilweise reflektierende Spiegel 2002, das Scan- und Fokussierungssystem 2003 und einen oder mehrere teilweise reflektierende Spiegel 2008 durchlaufen hat. Diese optischen Elemente können jeweils ihre eigenen Transmission-und Absorptionsmerkmale aufweisen, woraus sich variierende Mengen an Dämpfung ergeben, welche folglich bestimmte Teile des Spektrums der aus dem Strahlinteraktionsbereich 2004 ausgestrahlten Energie begrenzen. Die durch die optischen On-axis-Sensoren 2009 erzeugten Daten können einer Menge an Energie entsprechen, welche auf die Arbeitsplattform aufgebracht wird. Dies ermöglicht eine Selektion der Kerbmerkmals-Wellenlängen, um Frequenzen zu vermeiden, welche übermäßig durch Absorptionsmerkmale der optischen Elemente gedämpft werden.
Eine Kalibrierung kann durch Veranlassen der Schwarzkörperquelle 2014 zum Aussenden eines Schwarzkörpercharakteristischen Spektrums für bekannte Temperaturen durchgeführt werden, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Messwerte der optischen On-axis-Sensoren 2009. Beispielsweise veranschaulicht 3 ein erstes Schwarzkörperspektrum 305 bei einer Schwarzkörpertemperatur von 1.000 C. Der erste optische Sensor 2009-1 (siehe 1) ist angeordnet, um auf eine Intensität des ersten Spektrums 305 mit einer ersten Bandbreite λ₁ (315) von 680 Nanometern +- 5 Nanometer zu reagieren. Der zweite optische Sensor 2009-2 (siehe 1) ist angeordnet, um auf eine Intensität des ersten Spektrums 305 mit einer zweiten Bandbreite λ₂ (320) von 700 Nanometern +- 5 Nanometer zu reagieren.
3 veranschaulicht ebenfalls ein zweites Schwarzkörperspektrum 350 bei einer Schwarzkörpertemperatur von 1.500 C. Der erste optische Sensor 2009-1 (siehe 1) ist angeordnet, um auf eine Intensität des zweiten Spektrums 350 mit einer ersten Bandbreite λ₁ (355) von 680 Nanometern +- 5 Nanometer zu reagieren. Der zweite optische Sensor 2009-2 (siehe 1) ist angeordnet, um auf eine Intensität des zweiten Spektrums 350 mit einer zweiten Bandbreite λ₂ (370) von 700 Nanometern +- 5 Nanometer zu reagieren. In einigen Ausführungsformen wird eine erste Bandbreite λ₁ (355) relativ nahe der zweiten Bandbreite λ₂ (370) ausgewählt, um die Auswirkungen von Änderungen des Emissionsvermögens zu reduzieren. Eine Fachperson, welche den Nutzen dieser Offenlegungsschrift genießt, wird erkennen, dass andere Bandbreiten und/oder Temperaturen verwendet werden können.
Wie in 3 gezeigt, wenn die Temperatur der Schwarzkörperquelle 2014 (siehe 1) ansteigt, verschiebt sich die charakteristische Strahlungskurve nach links und folglich ändert sich das Verhältnis der Intensität bei λ₁ (315) zu der Intensität bei λ₂ (320). Wie in 4 gezeigt, lässt sich dieses Verhältnis in Bezug auf die bekannten Schwarzkörper-Kalibrierungstemperaturen plotten, um eine Kalibrierungsbeziehung 400 für das additive Fertigungssystem zu erzeugen. Insbesondere kann in einigen Ausführungsformen jeder optische Sensor 2009 eine Spannung erzeugen, welche der mit der besonderen Bandbreite des Sensors empfangenen Intensität entspricht. Ein Verhältnis dieser Spannungen lässt sich im Vergleich zu den bekannten Schwarzkörper-Kalibrierungstemperaturen plotten (siehe beispielsweise 2). Der Computer 2016 (siehe 1) kann die Kalibrierungsbeziehung 400 verwenden, um tatsächliche Temperaturen des Schmelzepools während der additiven Fertigungsschritte zu melden. Die tatsächlichen Temperaturen können zur Quantifizierung und Identifizierung anhand von Spezifikationsbedingungen verwendet werden, welche Fehler in dem Teil hervorrufen können.
Beispiele von optischen On-axis-Sensoren 2009 schließen Umwandler von Lichtsignalen in elektrische Signale (beispielsweise Photodetektoren), wie beispielsweise Pyrometer und Photodioden ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die optischen Sensoren können ebenfalls Spektrometer und Kameras mit niedriger oder hoher Geschwindigkeit einschließen, welche im sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Frequenzspektrum arbeiten. Die optischen On-axis-Sensoren 2009 befinden sich in einem Referenzrahmen, welcher sich mit dem Strahl bewegt, d. h., dass sie alle Regionen sehen, welche durch den Laserstrahl berührt werden und in der Lage sind, optische Energie 2007 aus allen Bereichen der Bauebene 2005 zu sammeln, welche berührt werden, wenn der Laserstrahl 2001 die Bauebene 2005 scannt. Da die durch das Scan- und Fokussierungssystem 2003 gesammelte optische Energie 2006 einen Weg durchläuft, welcher nahezu parallel zum Laserstrahl ist, können die Sensoren 2009 als On-axis-Sensoren betrachtet werden.
In einigen Ausführungsformen kann das additive Fertigungssystem Off-axis-Sensoren einschließen, welche in einem stationären Referenzrahmen in Bezug auf den Laserstrahl 2001 befindlich sind. Zusätzlich könnten Kontaktsensoren an einem Abstreicharm vorhanden sein, welcher konfiguriert ist, um Metallpulver über die Bauebene 2005 zu verteilen. Diese Sensoren könnten Beschleunigungsmesser, Vibrationssensoren usw. sein. Abschließend könnten andere Arten von Sensoren wie beispielsweise Thermoelemente vorhanden sein, um Makrowärmefelder zu messen, oder sie könnten Schallemissionssensoren einschließen, welche Rissbildung und andere metallurgische Phänomene erkennen könnten, welche in der Ablagerung auftreten, während sie aufgebaut wird.
In einigen Ausführungsformen ist ein Computer 2016 bereitgestellt, einschließend einen Prozessor 2018, ein computerlesbares Medium 2020 und eine I/O-Schnittstelle 2022, und mit geeigneten Systemkomponenten des additiven Fertigungssystems gekoppelt, um Daten von den diversen Sensoren zu sammeln. Die durch den Computer 2016 empfangenen Daten können prozessinterne Sensor-Rohdaten und/oder Sensordaten reduzierter Ordnung einschließen. Der Prozessor 2018 kann prozess interne Sensor-Rohdaten oder Sensordaten reduzierter Ordnung verwenden, um eine Leistung des Lasers 2000 und Steuerungsinformationen zu bestimmen, darunter Koordinaten in Bezug auf die Bauebene 2005. In anderen Ausführungsformen kann der Computer 2016, welcher den Prozessor 2018, das computerlesbare Medium 2020 und die I/O-Schnittstelle 2022 einschließt, die Steuerung der diversen Systemkomponenten bereitstellen. Der Computer 2016 kann dem Laser 2000, der Bauebene 2005 und anderen zugeordneten Komponenten und Sensoren zugeordnete Steuerungsinformationen senden, empfangen und überwachen.
Der Prozessor 2018 kann verwendet werden, um Berechnungen unter Verwendung der durch die diversen Sensoren gesammelten Daten durchzuführen, um prozessinterne Qualitätsmetriken zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen können durch die optischen On-axis-Sensoren 2009 erzeugte Daten verwendet werden, um eine thermische Energiedichte während des Bauprozesses zu bestimmen. Steuerungsinformationen, welche der Bewegung der Energiequelle über die Bauebene zugeordnet sind, können durch den Prozessor empfangen werden. Der Prozessor kann anschließend die Steuerungsinformation verwenden, um Daten des/der optischen On-axis-Sensors(Sensoren) 2009 und/oder des/der optischen Off-axis-Sensors(Sensoren) mit einer entsprechenden Position zu korrelieren. Diese korrelierten Daten können anschließend kombiniert werden, um eine thermische Energiedichte zu berechnen. In einigen Ausführungsformen können die thermische Energiedichte und/oder andere Metriken durch den Prozessor 2018 verwendet werden, um Steuerungssignale für Prozessparameter zu erzeugen, beispielsweise Laserleistung, Lesegeschwindigkeit, Schraffurabstand und andere Prozessparameter in Reaktion auf eine Unterschreitung oder Überschreitung der gewünschten Bereiche durch die thermische Energiedichte oder andere Metriken. Auf diese Weise lässt sich ein Problem verbessern, welches ansonsten ein Produktionsteil ruinieren könnte. In Ausführungsformen, bei welchen mehrere Teile gleichzeitig erzeugt werden, können rasche Korrekturen in Reaktion darauf, dass Metriken gewünschte Bereiche über- bzw. unterschreiten, angrenzende Teile davor schützen, zu viel oder zu wenig Energie von der Energiequelle zu empfangen.
In einigen Ausführungsformen kann die IIO-Schnittstelle 2022 konfiguriert sein, um gesammelte Daten an eine entfernte Position zu übertragen. Die I/O-Schnittstelle 2022 kann konfiguriert sein, um Daten von einer entfernten Position zu empfangen. Die empfangenen Daten können Grundlinien-Datensätze, historische Daten, dem Prozess nachgelagerte Inspektionsdaten und Klassifiziererdaten einschließen. Das entfernte Rechensystem kann prozess interne Qualitätsmetriken unter Verwendung der durch das additive Fertigungssystem übertragenen Daten berechnen. Das entfernte Rechensystem kann Informationen an die I/O-Schnittstelle 122 in Reaktion auf besondere prozessinterne Qualitätsmetriken übertragen. Es ist zu beachten, dass die in Verbund mit 1 beschriebenen Sensoren in den beschriebenen Weisen verwendet werden können, um die Leistungsfähigkeit eines beliebigen additiven Fertigungsprozesses zu charakterisieren, welcher sequenziellen Materialaufbau involviert. Es erschließt sich einer durchschnittlichen Fachperson, dass viele Modifizierungen und Variationen mit Blick auf die obigen Lehren möglich sind.
Während hierin beschriebene Ausführungsformen Daten verwendet haben, welche durch optische Sensoren erzeugt wurden, um die thermische Energiedichte zu bestimmen, können die hierin beschriebenen Ausführungsformen unter Verwendung von Daten implementiert werden, welche durch Sensoren erzeugt werden, welche andere Manifestationen von prozessinternen physikalischen Variablen messen. Sensoren, welche Manifestationen von prozessinternen physikalischen Variablen messen, schließen beispielsweise Kraft-und Vibrationssensoren, thermische Kontaktsensoren, kontaktlose thermische Sensoren, Ultraschallsensoren und Wirbelstromsensoren ein. Es erschließt sich einer durchschnittlichen Fachperson, dass viele Modifizierungen und Variationen mit Blick auf die obigen Lehren möglich sind.
5A zeigt ein Beispieldiagramm 1800, welches Sensormesswerte veranschaulicht, welche durch ein Spektrometer während eines additiven Laser-Sinter-Fertigungsprozesses unter Verwendung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung aufgenommen wurden. In einigen Ausführungsformen kann das Spektrometer einen Bereich zwischen 0 und 1500 nm aufweisen, welcher gleichermaßen das sichtbare und das Nahinfrarotspektrum abdeckt. Ein um 1064 nm zentrierter Peak 1802 entspricht einer Wellenlänge eines mit Ytterbium dotierten Lasers, welcher als Energiequelle für den additiven Fertigungsprozess fungiert. Auch wenn Schikanen an dem Laser installiert sind, kann die Magnitude des Peaks 1802 künstlich aufgrund von Licht des Lasers erhöht werden, welches von anderen Oberflächen in einer Baukammer reflektiert wird, bevor es durch das Spektrometer erfasst wird. Aufgrund der Magnitude des Peaks 1802 wird das Spektrometer mit Licht dieser Wellenlänge gesättigt, was dazu führt, dass andere Lichtfrequenzen, welche ansonsten durch das Spektrometer abgefangen werden könnten, unterdrückt oder in einigen Fällen vollständig verdeckt werden. Während beispielsweise der Peak 1804 einer Schwarzkörperstrahlungskurve entsprechen könnte, ist die Amplitude des Signals aufgrund der Sättigung des Spektrometers durch das Laserlicht zu niedrig für die Extraktion von Merkmalen.
5B zeigt das beispielhafte Diagramm 1850, welches einen Teil der durch das Spektrometer aufgenommenen Messwerte abbildet, welche dem zuvor angegebenen Peak 1804 nach Hinzufügung eines Bandpassfilters zu dem Spektrometer entsprechen, welcher den Peak 1802 umgebende Frequenzen blockiert. Beispielsweise könnte der Bandpassfilter konfiguriert sein, um Lichtfrequenzen zu entfernen, welche Frequenzen zwischen 1.000 und 1.100 nm aufweisen. Die Beseitigung dieser Frequenzen aus dem Spektrometer bewirkt, dass das Diagramm 1850 der allgemeinen Form einer Schwarzkörperstrahlungskurve folgt, mit der Ausnahme bestimmter spektraler Peakmerkmale 1852. Die spektralen Peaks 1852 resultieren aus Materialeigenschaften des Pulvers, welches Laserbestrahlung ausgesetzt wird. In einigen Ausführungsformen könnten diese spektralen Peaks aufgrund des Vorhandenseins neutraler Atome auftreten, aus welchen das Pulver besteht, von ionisiertem Pulver ebenso wie von Elektronen aus der Ionisierung. Diese spektralen Peaks 1852 bleiben gewöhnlich an festen Wellenlängen. Dies ermöglicht es den Wellenlängen 1854 und 1856, bei Frequenzen selektiert zu werden, welche von den spektralen Peaks 1852 versetzt sind. Zwar kann die Größe der spektralen Peaks 1852 abhängig von der Temperatur variieren, doch der hiervon abgedeckte Wellenlängenbereich bleibt im Wesentlichen der gleiche über einen breiten Temperaturbereich. In einigen Ausführungsformen kann es ebenso wünschenswert sein, eine Trendlinie festzulegen, welche der Form einer Schwarzkörperkurve folgt, und Wellenlängen zu selektieren, welche immer auf der Trendlinie positioniert sind, welche die Schwarzkörper-Lichtquelle definiert. Dies hilft zusätzlich, die Platzierung einer der selektierten Wellenlängen 1854 oder 1856 auf einem spektralen Merkmal zu vermeiden, welches negativ die Genauigkeit von Temperaturdaten beeinflussen würde, welche von Sensoren abgeleitet würden, welche die Wellenlängen 1854 und 1856 überwachen.
Optische Sensoren, welche die Wellenlängen 1854 und 1856 überwachen, können konfiguriert sein, um eine relativ schmale Bandbreite zwischen 0,5 nm und ungefähr 10 nm zu überwachen, welche rund um die selektierten Wellenlängen zentriert ist. Eine Größe der Bandbreite kann von der Anwendung und den Merkmalen des eingesetzten Pulvers und der eingesetzten Energiequelle abhängen. In einigen Ausführungsformen können zwei unterschiedliche optische Sensoren verwendet werden, um Licht zu sammeln, welches bei den Wellenlängen 1854 und 1856 ausgesendet wird. Die optischen Sensoren können die Form von Photodetektoren oder insbesondere von Photodioden mit mehrschichtigen dielektrischen Wellenlängen-Kerbfiltern annehmen, welche das Licht, welches die Photodiode erreicht, auf schmale Wellenlängenbereiche begrenzen, welche jeweils um die Wellenlängen 1854 und 1856 zentriert sind. Zwar sind die Wellenlängen 1854 und 1856 auf einer Seite der Schwarzkörperkurve positioniert, doch es ist zu beachten, dass die Wellenlängen ebenso an der gegenüberliegenden Seite positioniert sein können, solange die Wellenlängen einander nicht überlappen.
Ein Verhältnis der Lichtintensität bei der Wellenlänge 1854 zu der Lichtintensität bei der Wellenlänge 1856 kann verwendet werden, um Änderungen oder Variationen der Temperatur an der Bauebene zu charakterisieren. Diese Messungen werden durch thermische Strahlung vom Schmelzepool und einer Leuchtschwade in unmittelbarer Nähe des Schmelzepools bewirkt, welche durch Verdampfung kleiner Teile des Metallpulvers verursacht wird. Eine Vielzahl von Messungen stammt von der Leuchtschwade, da die Leuchtschwade dazu neigt, die Schwarzkörperemissionen des Schmelzepools zu verdecken. Diese Konfiguration, welche einen sehr kleinen Bereich von aus der Bauebene ausgesendetem Licht überwacht, vermeidet den größten Teil der Ungenauigkeiten, welche durch Überwachung mit breitem Spektrum verursacht werden. Beispielsweise reduziert dieses Überwachungsverfahren erheblich Ungenauigkeiten, welche dadurch verursacht werden, dass Laserlicht von den Wänden eines additiven Fertigungsgerätes reflektiert wird. Es ist zu beachten, dass die Schwarzkörperstrahlungskurve erheblich in Bezug auf die Wellenlänge variieren kann, abhängig von der Art des eingesetzten pulverförmigen Metalls. Während beispielsweise die Diagramme in den 5A and 5B Aluminium entsprechen, welches eine Schwarzkörperstrahlungskurve aufweist, welche sich zwischen 400 nm und 900 nm erstreckt, kann eine Schwarzkörperstrahlungskurve von Titan zwischen ungefähr 1.400 und 1.700 nm positioniert sein. Aus diesen Gründen können die Wellenlängen 1854 und 1856 erneut selektiert werden, wenn Veränderungen in der Metallpulverlegierung auftreten. Die erneute Selektion der Wellenlängen 1854 und 1856 könnte ebenfalls wünschenswert sein, wenn sich die gewünschten Betriebstemperaturen ändern. Ein Bediener könnte die Betriebstemperaturen für einen Teil mit derselben Art von Metalllegierung ändern, wenn eine unterschiedliche Materialkornstruktur gewünscht ist.
6 veranschaulicht Beispieldaten, welche für eine Bauschicht 605 eines Teils erzeugt werden. Insbesondere stellt jeder Pixel einer Bauschicht 605 eine Temperatur dar, welche für den Schmelzepool an dieser geometrischen Position aufgezeichnet wurde. Der Maßstab 610 veranschaulicht den Bereich der Temperaturen über die Bauschicht 605. In einigen Ausführungsformen kann eine obere Grenze und/oder eine untere Grenze für die Temperaturen ermittelt werden und Bereiche an der Bauschicht 605 können als grenzüber/unterschreitend und folglich als fehlerhaft identifiziert werden.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines additiven Fertigungsgerätes, welches einen oder mehrere kalibrierte Sensoren nach einer Ausführungsform der Offenlegungsschrift einsetzen kann. Das additive Fertigungsgerät von 7 kann zwei Einzelpunkt-On-axis-Photodetektoren einschließen, jeweils hinter einem Bandpassfilter mit Durchlässigkeits-Chrematistiken von λ₂ und λ₂. In einigen Ausführungsformen sind λ_l λ₁ and λ₂ und λ₂ zwei sichtbare Lichtwellenlängen, welche einander in Bezug auf die Wellenlänge ähneln (<50 nm Differenz zwischen den beiden Wellenlängen, λ₁ < λ₂). Aus einem Schmelzepool ausgesendetes Licht mit diesen Wellenlängen ist möglicherweise nicht auf Elektronenübergang zurückzuführen, sondern auf thermische Strahlung Die Signale dieser Sensoren können verwendet werden, um einen Temperaturwert unter Verwendung der Bichromatischen Planck'schen Thermometrie (beispielsweise, Verhältnis-, Dualband- oder Zweifarben-Pyrometrie) zu berechnen, welche die Grundlage einer Prozessüberwachungs-Datenmetrik bildet, genannt Thermal Emissions Planck (TEP), welche hierin detaillierter beschrieben wird. In einer Ausführungsform können die analogen Ausgaben des Photodetektors digital mit 200 kHz abgetastet und als schwebende 32-Bit-Punktwerte gespeichert werden. Ein zusätzlicher Photodetektor kann abgetastet werden, um eine andere Metrik abzuleiten, genannt Thermal Energy Density (TED).
Ausführungsformen der Offenlegungsschrift stellen räumliche Kalibrierungsverfahren zum Normalisieren von Schmelzepoolsignalen zu Temperatur bereit, da eine Weglänge das vom Schmelzepool ausgesendeten Licht in die koaxialen Photodetektoren anhand der Position variieren kann, und Variationen zwischen unterschiedlichen Maschinen vorhanden sein können. In einigen Ausführungsformen kann eine Pyrometrie LLC S6-100-Kalibrierungslampe verwendet werden, um das additive Fertigungsgerät von 7 unter Verwendung der Grundsätze der Bichromatischen Planck'schen Thermometrie zu kalibrieren.
Das Planck'sche Gesetz zeigt auf, dass die wellenlängenabhängige Ausstrahlung einer Schwarzkörperquelle als eine Funktion der Temperatur durch die Gleichung 1 ausgedrückt werden kann. $I (λ, T) = \frac{2 h c^{2} ε}{λ^{5}} \frac{1}{e^{\frac{h c}{^{λ k_{B} T}}} - 1}$
Wenn h die Planck-Konstante ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist, ε das Emissionsvermögen der Quelle ist und k_B die Boltzmann-Konstante ist, ergeben sich Einheiten von I (λ, T) als W·sr^-1·m^-3. Das Verhältnis der emittierten Intensität bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen mit der gleichen Temperatur lässt sich anhand der Gleichung 2 berechnen. Es ist zu beachten, dass die Emissionsvermögenswerte einander aufheben, solange das Emissionsvermögen des Schmelzepools bei jeder Wellenlänge gleich ist. Hier können nahegelegene Wellenlängen selektiert werden, um die Emissionsvermögen-Differenz zu minimieren. $\frac{I (λ_{2}, T)}{I (λ_{1}, T)} = {(\frac{λ_{1}}{λ_{2}})}^{5} \frac{e^{\frac{h c}{^{λ k_{1}_{B} T}}} - 1}{e^{\frac{h c}{^{λ k_{2}_{B} T}}} - 1}$
Bei typischen Verarbeitungswerten (T = 1.900 °C, λ ~= 500 nmλ) ist der exponentielle Term erheblich größer als 1, $\frac{h c}{e^{λ k_{B} T}} \sim e^{7} > > 1,$
und die Gleichung lässt sich auf die Gleichung 3 reduzieren. $\frac{I (λ_{2}, T)}{I (λ_{1}, T)} = {(\frac{λ_{1}}{λ_{2}})}^{5} \frac{\frac{h c}{e^{λ_{1} k_{B} T}}}{\frac{h c}{e^{λ_{2} k_{B} T}}}$
Die Umstellung hiervon zur Berechnung der Temperatur angesichts der beiden Wellenlängen und der aufgezeichneten Intensitäten ergibt Gleichung 4. $T = \frac{h c (λ_{2} - λ_{1})}{λ_{2} λ_{1} ln (\frac{I (λ_{2}, T)}{I (λ_{1}, T)} * {(\frac{λ_{2}}{λ_{1}})}^{5})}$
Die physikalischen Konstanten lassen sich ausklammern, um eine Funktion mit zwei Freiheitsgraden zu erzeugen, welche kalibriert werden kann, um eine Temperatur angesichts eines Verhältnisses von Sensorsignalen vorherzusagen, Gleichung 5. $T = \frac{A}{ln (B / \frac{I (λ_{1}, T)}{I (λ_{2}, T)})}$
Zwar beschreiben die Gleichungen die Ausstrahlung/Abstrahlungsstärke der Quelle (I(λ,T)), doch dies gilt ebenso für das Signal, S, welches durch zwei ähnliche Photodetektoren gemessen wird, welche in demselben Strahlengang untergebracht sind. Für lineare Photodetektoren, welche auf relativ schmale Wellenbänder (Δλ « λ₀) gefiltert sind, verhält sich das gemessene Signal proportional zur Abstrahlungsstärke der Quelle: S₀(T) α I(λ₀, T). In Gleichung 6 wird die Proportionalitätskonstante entweder aufgehoben oder durch die Regressionsvariable B absorbiert. $T = \frac{A}{ln (B / \frac{S_{1} (T)}{S_{2} (T)})}$
Folglich beträgt das gemessene Signalverhältnis R(T) = S₁(T)/S₂(T). In einigen Ausführungsformen, wenn T anhand einer kalibrierten Ausstrahlungsquelle bekannt ist, welche auf einen spezifischen Sollwert T_i gesetzt ist, kann ein Regressionsmodell geschaffen werden: T_i =ƒ(R_i,A,B), wobei T_i die abhängige Variable ist, R_i die unabhängige variable ist, und A und B unabhängige Regressionsparameter sind. In diversen Ausführungsformen kann eine Regressionsfunktion verwendet werden, um eine relative Temperatur, T, anhand eines gemessenen Signalverhältnisses, R, zu bewerten.
KALIBRIERUNGSMESSUNGEN
In einem Ausführungsbeispiel kann das additive Fertigungsgerät von 7 an einer EOS M290-Laser-Pulverbettschmelzmaschine installiert sein. Die Verstärkung gleichermaßen an dem Sensor für die hohe und dem Sensor für die niedrige Wellenlänge kann dergestalt eingestellt werden, dass sichergestellt ist, dass die aufgezeichneten Signale unter der Sättigungsspannung und über dem Grundrauschen unter typischen Verarbeitungsbedingungen bleiben. Um dies sicherzustellen, können die Verstärkungen eingestellt werden, während die M290 ein Quadrat fertigt, welches sich über die gesamte Bauplatte erstreckt. Die Verstärkungen können dergestalt gesetzt werden, dass das höhere der beiden Signale einen Mittelwert bei 75 % der Sättigungsspannung über die Bauplatte aufweist. Am Ende des Baus kann der Laser angewiesen werden, sich zum Mittelpunkt der Bauplatte zu bewegen, damit die Galvanometer-Spiegel zur Kalibrierung auf eine zentrale Quelle fokussiert werden können.
Anschließend kann die Kalibrierungslampe positioniert werden. Die Bauplatte kann um 45 mm dergestalt abgesenkt werden, dass der Glühfaden der Lampe auf derselben Höhe wie der Schmelzepool während der Verarbeitung positioniert ist. Die Lampe kann dergestalt in einem Temperaturkalibrierungsblock enthalten sein, dass sie horizontal und vertikal mit der Apertur an der Oberseite des Blocks ausgefluchtet ist. Der Photodetektor für die hohe Wellenlänge kann gleichzeitig mit der Optikröhre entfernt und beispielsweise durch einen Thorlabs PL202 HeNe-USD-Laser ersetzt werden, welcher verwendet werden kann, um den Mittelpunkt der Bauplatte zu beleuchten, und der Kalibrierungsblock wird dergestalt bewegt, dass die Lampe auf der Bauplatte zentriert ist. Nach XY-Ausfluchtung des Blocks kann der HeNe-Laser entfernt und der Photodetektor für die hohe Wellenlänge und die Optikröhre werden wieder eingelegt. Ein Bild des Kalibrierungsaufbaus ist in 8 gezeigt.
Bevor die Lampe eingeschaltet wird, können Messungen bei ausgeschalteten Lichtern innerhalb des additiven Fertigungsgerätes von 7 und des Raums vorgenommen werden. Ein Medianwert eines jeden des Sensors für die hohe und des Sensors für die niedrige Wellenlänge kann bei ausgeschaltetem Licht als deren entsprechende Dunkelspannungen gemessen werden. Diese Spannungen werden von allen Messungen der entsprechenden Sensoren subtrahiert, bevor diese zur Berechnung einer Temperatur verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Lampe durch eine programmierbare Gleichstromversorgung vom Typ Rohde & Schwarz HMP4040 gesteuert werden. Tabelle 1 zeigt eine repräsentative Temperatur und Stromsollwerte, welche für die Kalibrierung eingesetzt werden, wobei die Lampe durch Pyrometrie-LLC unter Verwendung eines NISTrückführbaren Transferpyrometers zum Erzielen vorbestimmter Temperatursollwerte kalibriert wurde. Tabelle 1

Temperatur (C) 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300

Strom (A) 7,08 7,61 8,21 8,9 9,64 10,44 11,27 12,18 13,13 14,11 15,14
Die Temperatur kann auf jeden Sollwert eingestellt werden und es kann ihr 1 Minute Zeit zur Stabilisierung gegeben werden, beginnend mit 1.300 °C. Ein Hantek-Oszilloskop 1008C wird verwendet, um beide Sensorspannungen zu überwachen um sicherzustellen, dass sie innerhalb des akzeptablen Bereichs bleiben. Die Apertur kann so eingestellt werden, dass der höhere Sensor 85 % seiner Sättigungsspannung anzeigt, wenn die Kalibrierungsquelle auf 2.300 °C eingestellt wird, wodurch sichergestellt wird, dass die Sensoren nicht übersättigt werden.
KALIBRIERUNGSBERECHNUNGEN
In einigen Ausführungsformen können beide Detektorkanäle gleichzeitig erfasst werden, wodurch jedes Element einer Messung zum gleichen Zeitpunkt entspricht. Für jeden Temperatursollwert, T_i, wird das Verhältnis, $\frac{S_{1} (T)}{S_{2} (T)},$
anhand elementweiser Unterteilung der Zeitreihe von Phototedektorsignalen hoher und niedriger Wellenlänge berechnet, nach Subtraktion von Dunkelstrom, R_i(t) = S₁(t)1S₂(t).Der Medianwert des Zeitreihenverhältnisses R_i(t) wird für jeden Temperatursollwert aufgezeichnet und zur Regression auf Werte von A und B in Gleichung 7 verwendet, welche sich aus Gleichung 6 ergibt. $T_{i} = \frac{A}{ln (B / R_{i})}$
Innerhalb einer jeden 5-Sekunden-Datenerfassung von R_i(t) wurde die Standardabweichung der 400 zeitlichen mittleren Werte berechnet, um Trends der Signalvariation als eine Funktion der Temperatur zu identifizieren. Wenn man eine konstante zufällige Rauschverteilung, X̃, in den ansonsten konstanten Sensorsignalen S₁ (T) und S₂ (T) bei einer konstanten Temperatur annimmt, kann die Varianz des Verhältnisses $\frac{S (λ_{1}, T) + \tilde{X}}{S (λ_{2} T) + \tilde{X}}$
bei abnehmender Temperatur ansteigen, welche mit dem Sensorsignal abnimmt.
RÄUMLICHE NORMALISIERUNGSMETHODOLOGIE
In einigen Ausführungsformen gibt es zahlreiche Effekte, welche das Verhältnis zwischen hohen und niedrigen Wellenlängensignalen räumlich über die Bauplatte ändern können, darunter, jedoch nicht darauf beschränkt:

1) Weglängenvariation
2) winkelabhängige Durchlässigkeit durch die Optiken
3) sphärische Aberration

Variationen lassen sich als eine proportionale Änderung der Durchlässigkeit separat in jeder niedrigen und hohen Wellenlänge beschreiben, welche als eine Funktion der Position und nicht im Zeitverlauf variiert. In einigen Ausführungsformen, um die proportionale Reduzierung der Durchlässigkeit zu quantifizieren, kann davon ausgegangen werden, dass die Temperatur, und folglich das Verhältnis von niedrigeren/hohen Wellenlängensignalen, eine Konstante über die Bauplatte ist.
Es können volle Bauplatten gefertigt werden. Sobald der Prozess einen stabilen Zustand erreicht hat, können vier Schichten aufgezeichnet werden. Die Rohdaten für die hohen und niedrigen Signale von jeder dieser Schichten werden zu Bildern mit einer Auflösung von 50 µm gerastert. Für jede Schicht kann das niedrige Wellenlängensignal-Bild elementweise durch das hohe Wellenlängensignal-Bild unterteilt werden, um ein Bild mit einem einzigen Signalverhältnis zu erzeugen. Die vier Verhältnisbilder können anschließend gemittelt werden. Das gemittelte Bild kann dergestalt normalisiert werden, dass der Mittelwert im mittleren 2 mm mal 2 mm-Quadrat der Bauplatte gleich eins ist. Dieses Bild enthält alle zur Korrektur der eingehenden Temperaturdaten verwendeten Werte. Für alle betroffenen zeitabhängigen Rohdaten wurde der nächstgelegene Pixel in dem Korrekturwert-Bild lokalisiert, der Roh-Verhältnis-Datenwert wurde durch diesen Korrekturwert geteilt, wodurch ein korrigiertes Verhältnis erzeugt wurde, welches verwendet wurde, um eine räumlich korrigierte Temperatur zu berechnen.
REGRESSION UND VARIATION
Vor der Kalibrierung wurde die Lampe von Raumtemperatur auf 1.700 °C eingeschaltet. Das Signal des Photodetektors für niedrige Wellenlänge wurde im Zeitverlauf gemessen, während Strom der Lampe zugeführt wurde, um die Zeit bis zum Erreichen einer stabilen Temperatur zu bestimmen. Die Ergebnisse von Signal im Vergleich zur Zeit sind in 9 gezeigt, wobei niedrige Sensorspannung im Vergleich zur Zeit bei eingeschalteter Lampe geplottet sind. Wie in 9 gezeigt, wurde bestimmt, dass der stabile Zustand innerhalb von 2 Sekunden erreicht war. Die eine Minute Verweilzeit zur Stabilisierung der Temperatur kann adäquat die verwendete Verweilzeit erfüllen. Nachdem diese Messung vorgenommen wurde, kann die Lampe abgeschaltet werden, bis sie nicht mehr sichtbar Licht aussendet, bevor zur Kalibrierung übergegangen wird.
Eine Regression des Medianwertes von R_i(t) (über die 400 mittleren Punkte) für jede Temperatur im Vergleich zu den Sollwerten ergibt eine Gleichung mit A = 618,75 und B = 0,681, mit einem R²-Wert von 0,996, wie in 10 gezeigt. 10 zeigt die Sollwerttemperatur im Vergleich zum mittleren Signalverhältnis (blaue Punkte) mit Kurvenanpassung (blaue Linie). Es ist zu beachten, dass die Fehlerbalken in 10 keine Vorhersageunsicherheit anzeigen, sondern die +/- 1σ-Standardabweichung der gemessenen Temperatur unter Verwendung des Regressionsmodells bei einem gegebenen Sollwert.

Das offengelegte Modell kann die Sollwerte mit einem RMSE von 19,42 °C schätzen.Für jeden der 400 mittleren zeitlichen Werte von R_i(t) bei jedem Temperatursollwert wurde die Temperatur T(t) basierend auf dem Kalibrierungs-Regressionsmodell berechnet, welches in Gleichung 7 entwickelt ist. Die Standardabweichung dieser 400 Temperaturwerte wurde aufgezeichnet, um Sensorrauschen in Bezug auf die gemessene Temperatur zu quantifizieren.Diese Standardabweichungen sind in Tabelle 2 gezeigt und als Fehlerbalken in 10 geplottet. Eine Standardabweichung der gesammelten Daten erhöht sich mit abnehmender Temperatur, da die Temperatur anhand eines Verhältnisses von zwei Signalen berechnet wird, welche beide Rauschen enthalten. Da die Signale mit abnehmenderTemperatur abnehmen, macht das Rauschen einen größeren Teil der Verhältnis-Varianz aus. Die gemessene Temperatur-Standardabweichung als eine Funktion des Temperatursollwertes ist in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Sollwert (°C)	1300	1400	1500	1600	1700	1800	1900	2000	2100	2200	2300
Standardabweichung (°C)	734	382	225	190	148	130	109	104	87,8	77,5	73,0
Modellvorhersage (°C)	1295	1361	1547	1603	1688	1803	1915	1998	2090	2206	2290

Es ist zu beachten, dass die Standardabweichung der abgetasteten Daten möglicherweise keine gute Metrik für die Sensorunsicherheit ist. Da sich anormale Signale über mehr als 1 zeitbezogene Datenprobe (5 µs) erstrecken, kann die Unsicherheit des Sensors in dem additiven Fertigungsgerät von 7 eine Funktion der Zeitdauer sein, über welche das Signal erfasst wird. Die Gleichung zur Berechnung des Standardfehlers, $S E = \frac{σ}{\sqrt{n}},$
kann umgestellt werden, um die Anzahl von Proben zu berechnen, welche verwendet werden, um den Standardfehler unter einen definierten Standardfehler-, (SE-)Schwellenwert zu reduzieren. $n = c e i l i n g ({(\frac{σ}{S E})}^{2})$

Die Ergebnisse der Anwendung dieser Formel auf diverse Werte sind Tabelle 3 zu entnehmen. Um denselben Standardfehler wie 1.900 °C, jedoch bei anderen Temperatursollwerten zu erzielen, verdoppelt sich die Abtastzeit ungefähr bei 1.700 °C und beträgt bei 1.300 °C rund 60-mal mehr. Tabelle 3

	Sollwert (°C)
Standardfehler (°C)	1300	1400	1500	1600	1700	1800	1900	2000	2100	2200	2300
100	270	75	30	20	15	10	10	10	5	5	5
75	480	130	45	35	20	20	15	10	10	10	5
50	1080	295	105	75	45	35	25	25	20	15	15
25	4315	1170	405	290	180	140	100	90	65	50	45
10	26940	7300	2535	1805	1100	845	595	545	390	305	270

Zwar weisen die Photodetektoren inhärentes Rauschen auf, doch die Standardabweichungen sind eine Funktion der Quellengröße (beispielsweise Kalibrierungslampe oder Schmelzepool) und gleichermaßen der Sensor-Verstärkungseinstellungen. Folglich kann die Standardabweichung der Reaktion eines koaxialen Schmelzepool-Überwachungssensors von mehreren Faktoren abhängen, welche sich auf den Schmelzepool und den Bereich im Blickfeld des Sensors beziehen. Beispielsweise können Änderungen der Standardabweichung des Sensorsignals hervorgerufen werden durch:

1) die Oberfläche des Schmelzepools
2) das Sensorverstärkungs-/Materialverarbeitungsfenster
3) das Emissionsvermögen des Schmelzepools
4) sonstige glühende Quellen wie beispielsweise Spritzer oder Schwaden

Wenn beispielsweise ein hypothetischer Schmelzepool eine einheitliche Temperatur von 1.300 °C und eine Größe aufweist, welche die 2 mm mal 8 mm des Wolframfadens der Kalibrierungslampe überschreitet, können mehr Photonen den Sensor erreichen, woraus sich ein höheres Signal-zu-Rauschen-Verhältnis ergibt. Die Messwerte können eine kleinere Standardabweichung der Daten im Zeitverlauf aufweisen. Das Gegenteil würde zutreffen, wenn der Schmelzepool kleiner als der Wolframfaden wäre.
In einigen Ausführungsformen, wenn ein unterschiedliches Material zur Verarbeitung mit einer geringeren relativen Schmelzepoolgröße oder geringeren Temperaturen gewählt wird, können höhere Verstärkungswerte ausgewählt werden. Die Standardabweichung der Sensordaten im Zeitverlauf wären reduziert, und Messungen könnten bei reduzierten Temperaturen aufgezeichnet werden. Dennoch wäre die maximale detektierbare Temperatur ebenfalls reduziert, da der Sensor schneller zur Sättigung neigen würde. Der gegenteilige Trend wäre bei Reduzierung der Sensorverstärkung zu beobachten. Änderungen des Schmelzepool-Emissionsvermögens würden ähnliche Auswirkungen wie Änderungen der Schmelzepoolgröße bewirken. Bei ansonsten konstanten Parametern kann eine Reduzierung des Schmelzepool-Emissionsvermögens die Anzahl der emittierten Photonen reduzieren. Die Signale der Sensoren können reduziert werden und die Standardabweichung der berechneten Temperatur steigt an.
In diversen Ausführungsformen kann die Unsicherheit der gemessenen Temperatur als eine Funktion der Signalstärke oder der Schmelzepool-/Fadenlänge in gemessenen Ergebnissen nachgewiesen werden. Das vorherige Verfahren wird mit der Hinzufügung eines Filters mit neutraler Dichte (ND) der optischen Dichte OD 1 wiederholt, welcher zum Dämpfen der Signalintensitäten verwendet wird. Die Apertur der Wolframlampenquelle kann dergestalt eingestellt werden, dass das höhere der beiden Signale 85 % seiner Sättigungsspannung beträgt, während der ND-Filter über der Apertur platziert wird. In einer separaten Messung wird der ND-Filter gemessen, um das Signal der hohen Photodiode auf 13,71 % ihres ungefilterten Signals zu reduzieren, und die niedrige Photodiode auf 10,57 % ihres ungefilterten Signals. Diese Werte können verwendet werden, um die Signale zu normalisieren, welche gemessen werden, wenn der ND-Filter über der Apertur platziert ist, um Unvollkommenheiten des Filters zu berücksichtigen. Diese Messung kann anfangs ohne ND-Filter über der Apertur wiederholt werden, um die Signalintensitäten bei niedrigeren Temperaturen zu erhöhen.
Wenn eine Temperatur erreicht wird, welche anzeigt, dass eines der Signale 75 % der Sättigungsspannung überschreitet, kann der ND-Filter für die restliche Testung auf der Apertur platziert werden. Obwohl der ND-Filter das gemessene Signal beider individueller Detektoren beeinflussen kann, beeinflusst er nicht das Verhältnis der Signale, nachdem die prozentualen Durchlässigkeiten, wie zuvor beschrieben, berücksichtigt wurden. Es wird davon ausgegangen, dass, da das relative Sensorrauschen höher ist, je niedriger das Signal ist, die Standardabweichung der gemessenen Temperatur mit ansteigender Temperatur sinken kann, ausgenommen bei derjenigen Temperatur, bei welcher der ND-Filter hinzugefügt wird. Die Ergebnisse der Regression des Medianwertes von R_i(t) (über die 400 mittleren Punkte) für jeden Temperatursollwert sind in 11 gezeigt. 11 zeigt die Sollwerttemperatur im Vergleich zum mittleren Signalverhältnis (blaue Punkte) mit Kurvenanpassung (blaue Linie) für den ND-Test. In 11 zeigen die Fehlerbalken keine Vorhersageunsicherheit an, sondern die +/- 1σ-Standardabweichung der gemessenen Temperatur unter Verwendung des Regressionsmodells bei einem gegebenen Sollwert.

In einigen Ausführungsformen kann der ND-Filter bei dem Sollwert 1.800 °C hinzugefügt werden. Das Modell stimmt mit diesen Daten überein, mit einem R²-Wert von 0,996, A = 447,52 und B = 1,0523. Das Modell schätzt die Sollwerte mit einem RMSE von 19,70 °C. Die Standardabweichungen dieses Modells sind insgesamt niedriger, insbesondere bei niedrigeren Temperaturen, und es ist ein Anstieg in der Abweichung an dem Datenpunkt vorhanden, an welchem der ND-Filter hinzugefügt wurde. Das Modell kann eine Temperatur mit einer Standardabweichung vorhersagen, welche 1,3 - 6,1 % der Sollwerttemperatur beträgt. Die Vorhersagen des Regressionsmodells und der Standardabweichungen der Temperaturvorhersagen sind in Tabelle 4 ersichtlich. Tabelle 4

Sollwert (°C)	1300	1400	1500	1600	1700	1800	1900	2000	2100	2200	2300
Standardabweichung (°C)	79,7	49,2	34,4	29,0	22,7	69,0	58,3	52,7	44,4	40,0	34,6
Modellvorhersage (°C)	1352	1389	1477	1591	1703	1800	1891	1984	2095	2195	2321

In einer ähnlichen Konstruktion wie dem vorhergehenden Datensatz wurde die Abtastzeit, welche zur Erzeugung einer Probe mit einem gegebenen Standardfehler verwendet wurde, für diesen Datensatz berechnet; sie ist in Tabelle 5 gezeigt. Es ist zu beachten, dass weder die Standardabweichungen noch die Dauern für einen Standardfehler für diesen Datensatz oder den vorherigen Datensatz charakteristisch für die Standardabweichungen und Abtastzeiten während der additiven Fertigungsverarbeitung sind. Es sind andere Eingaben vorhanden, welche diese Werte beeinflussen können. Tabelle 5

	Sollwert (°C)
Standardfehler (°C)	1300	1400	1500	1600	1700	1800	1900	2000	2100	2200	2300
100	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5
75	10	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5
50	15	5	5	5	5	10	10	10	5	5	5
25	55	20	10	10	5	40	30	25	20	15	10
10	320	125	60	45	30	240	175	140	100	80	60

RÄUMLICHE NORMALISIERUNG
In diversen Ausführungsformen können die Daten für Messungen einer vollen Bauplatte mit 200 kHz abgetastet werden, und die Kalibrierungsformel kann auf jeden einzelnen Datenpunkt angewandt werden, um eine Temperatur für diese Position vorherzusagen. Ein Streuplot der Temperaturwerte einer vollen Bauplatte ist in 12 gezeigt. Wie zuvor beschrieben kann für jeden Datenpunkt das Verhältnis der Signale durch den räumlich nächstgelegenen Korrekturwert geteilt werden, welcher verwendet werden kann, um eine angepasste Temperatur zu berechnen. Ein Streuplot der korrigierten Temperaturwerte findet sich in 13.
In 13 ist ersichtlich, dass das offengelegte Kalibrierungsverfahren die räumlichen Variationen in den Originaldaten reduzieren kann. Eine Standardabweichung der Temperaturen in dem nicht korrigierten Datensatz beträgt 109 °C. In dem kalibrierten Datensatz in 13 beträgt die Standardabweichung 32,8 °C. Dieses Verfahren kann eine Annahme machen, dass die Temperatur nicht als eine Funktion der Position auf der Bauplatte variiert. Mit dieser Annahme können Prozesseffekte, die von der tatsächlichen Position abhängig sind, ausgeblendet werden. In einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Verbesserung der optischen Hardware dergestalt verwendet, das positionsabhängige optische Transmission sich unter Verwendung der Kenntnis der Quelle des Position-Variationsmusters reduzieren lässt.
Das Vorhandensein von Mustern kann optischen Interferenzmustern zugeschrieben werden, welche durch das teilweise kohärente Licht erzeugt wird, welches durch die Kombination von Schmelzepool/Schwade erzeugt wird. Die Quelle des Lichts steht in Beziehung zu der Quelle des Lasers, welche die Leistung zum Schmelzen des Pulverbettes bereitstellt. Die Infrarotstrahlung kann in und nahe dem Schmelzepool durch diverse Prozesse in sichtbare Strahlung verwandelt werden, welche sich rückwärts durch das optische System des Druckers fortpflanzt. In einigen Ausführungsformen verläuft ein Verfahren zur Umwandlung von Hochleistungs-, fokussierter, Nahinfrarotstrahlung wie folgt: Ein Schmelzepool, welcher einen erheblichen Dampfdruck der gedruckten Legierungsbestandteile aufweist, kann durch die fokussierte Strahlung hergestellt werden. Diese Metalldampf-Atomarten sind teilweise durch den photoelektrischen Effekt ionisiert, welcher durch das starke elektrische Feld des fokussierten Lasers verursacht wird. Die Elektronen und die metallischen Ionen können durch das elektrische Feld des Lasers beschleunigt werden und durch Kollision die Neutralteilchen zu Zuständen anregen, welche über demjenigen liegen, welcher durch die thermisch induzierte Boltzmann-Verteilungscharakteristik des in gewisser Weise überhitzten Schmelzepools liegt.
Diese angeregten Zustände aufgrund von Kollisionsanregung können eine hohe Strahlungswahrscheinlichkeit mit Lebensdauern im Nanosekundenbereich aufweisen. Ein konkurrierender Prozess der Entregung durch Kollisionen mit kühleren Arten kann eine niedrigere Wahrscheinlichkeit aufweisen, wenn die Systemdichte niedrig ist. Thermisch angeregte Boltzmann-Verteilung von Metall-Quantenzuständen kann zur Hintergrundstrahlung einer geringeren Menge bei denjenigen Wellenlängen beitragen, welche für die jeweiligen Materialien charakteristisch sind. In diversen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur nichtlinearen optischen Erzeugung von Obertönen des Nahinfrarot-Hochleistungs-Schmelzlasers offengelegt, wobei die Metall-Dampfkomponenten als das nichtlineare optische Medium fungieren. Aufgrund des Vorhandenseins von nichtlinearen Ungleichgewichtsbedingungen kann ein austretendes Lichtspektrum (sichtbar in der Spektroskopie der Schwade) eine teilweise, durch den Schmelzlaser verursachte Kohärenz aufweisen, was Interferenzmuster bewirken kann. In einigen Ausführungsformen kann dies durch die Depolarisation des in die optische Anordnung eintretenden Lichts eliminiert werden.
In diversen Ausführungsformen können Kalibrierungsverfahren das Messen bei unterschiedlichen Laserwinkeln, oder an unterschiedlichen Positionen auf der Bauplatte, oder Kalibrierung/Testung einschließen, wenn die Optiken während der additiven Fertigungsverarbeitung aufheizen.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegungsschrift stellen ein Gerät und Verfahren zur Bichromatischen Planck'schen Thermometrie und einen Regressionsrahmen für die Kalibrierung von Bichromatischer Planck'scher Thermometrie bereit. In einigen Ausführungsformen wird der Regressionsrahmen unter Verwendung einer Wolframlampe als einer Schwarzkörperquelle validiert. In dem oben beschriebenen Beispielaufbau können die zur Kalibrierung verwendeten Verstärkungswerte maschinell zur Berücksichtigung etwaiger Variationen variiert werden. Dies versetzt Sensoren unterschiedlicher Maschinen in die Lage, dieselben kalibrierten Messwerte zu ergeben. Aufgrund dieser Methodologie kann eine Temperaturkalibrierung mit einer Genauigkeit von 1,3 - 6,1 % unter Verwendung der Bichromatischen Planck'schen Thermometrie durchgeführt werden. Zusätzlich können Trends der Datenvariation als eine Funktion der Temperatur analysiert werden, welche zeigen, dass bei konstanter Sensorverstärkung die Standardabweichung der Sensormesswerte mit ansteigender Temperatur sinkt. In diversen Ausführungsformen wird gezeigt, dass die Änderung der Standardabweichung von vorhergesagten Temperaturen nicht allein auf die Quellentemperatur zurückzuführen ist, sondern ebenfalls darauf, dass sich die Signalmenge bei geringeren Quellentemperaturen verringert. In einigen Ausführungsformen können niedrigere Standardabweichungs-Messwerte bei niedrigeren Temperaturen durch Verstärkung des Signals erzielt werden. In diversen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Reduzierung räumlicher Abweichungen der gemessenen Temperaturen offengelegt.
Eine Fachperson, die den Nutzen dieser Offenlegungsschrift genießt, wird verstehen, dass die offengelegten Kalibrierungssysteme und -verfahren sich nicht auf laserbasierende additive Fertigungsprozesse beschränken. Andere additive Fertigungsprozesse können ähnliche Techniken einsetzen, um die Kalibrierung von Überwachungssensoren zu verbessern, darin eingeschlossen, jedoch nicht hierauf begrenzt, elektronenstrahlbasierende Systeme und auf UV-Härtung basierende Systeme.
Die diversen Aspekte, Ausführungsformen, Implementierungen oder Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen können separat oder in einer beliebigen Kombination verwendet werden. Diverse Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen können durch Software, Hardware oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. Die beschriebenen Ausführungsformen können ebenso als computerlesbarer Code auf einem computerlesbaren Medium zur Steuerung von Fertigungsschritten oder als computerlesbarer Code auf einem computerlesbaren Medium zur Steuerung einer Fertigungslinie ausgeführt sein. Das computerlesbare Medium ist eine beliebige Datenspeichervorrichtung, welche Daten speichern kann, welche danach durch ein Computersystem gelesen werden können. Beispiele des computerlesbaren Mediums schließen Nur-Lese-Speicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, CD-ROMs, HDDs, DVDs, Magnetband und optische Datenspeichervorrichtungen ein. Das computerlesbare Medium kann ebenso über netzwerkgekoppelte Computersysteme verteilt sein, sodass der computerlesbare Code in einer verteilten Weise gespeichert und ausgeführt wird.
Die obige Beschreibung verwendete der Erläuterung halber eine spezifische Nomenklatur für ein umfassendes Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen. Einer Fachperson erschließt sich jedoch, dass die spezifischen Details nicht erforderlich sind, um die beschriebenen Ausführungsformen in die Praxis umzusetzen. Daher werden die obigen Beschreibungen spezifische Ausführungsformen zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Beschränkung der beschriebenen Ausführungsformen auf die genauen offengelegten Formen. Es erschließt sich einer durchschnittlichen Fachperson, dass viele Modifizierungen und Variationen mit Blick auf die obigen Lehren möglich sind.
Zusätzlich können raumbezügliche Begriffe wie beispielsweise „Unterseite“ oder „Oberseite“ und dergleichen verwendet werden, um eine Beziehung zwischen einem Element und/oder einem Merkmal und (einem) anderen Element(en) und/oder (einem) anderen Merkmal(en) zu beschreiben, wie beispielsweise in den Figuren veranschaulicht. Es versteht sich, dass die raumbezüglichen Begriffe dazu bestimmt sind, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch und/oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren abgebildeten Ausrichtung einzuschließen. Wenn beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, können die als eine „untere“ Fläche beschriebenen Elemente „oberhalb“ anderer Elemente oder Merkmale ausgerichtet sein. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet sein (beispielsweise um 90 Grad gedreht oder mit anderen Ausrichtungen) und die hierin verwendeten raumbezüglichen Deskriptoren sind entsprechend auszulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63174435 [0001]
US 63305583 [0001]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung in einem additiven Fertigungssystem, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen einer Menge an Energie, welche von einer Schwarzkörperquelle mit einer ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird; Messen einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit einer zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, wobei die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge beabstandet ist; und Erzeugen einer Beziehung zwischen einem Verhältnis der Menge an Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, zu der Menge an Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, durch einen ersten Photodetektor durchgeführt wird, und das Messen einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, durch einen zweiten Photodetektor durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Messen einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, das Sammeln erster Spannungen einschließt, welche durch den ersten Photodetektor in Reaktion auf das Empfangen der von der Schwarzkörperquelle ausgestrahlten Energie erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Messen einer Menge an Energie, welche von der Schwarzkörperquelle mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, das Sammeln zweiter Spannungen einschließt, welche durch den zweiten Photodetektor in Reaktion auf das Empfangen der von der Schwarzkörperquelle ausgestrahlten Energie erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erzeugen der Beziehung das Erzeugen eines Verhältnisses von ersten Spannungen zu zweiten Spannungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schwarzkörperquelle dort positioniert ist, wo ein Schmelzepool in einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems während eines Betriebs des additiven Fertigungssystems befindlich wäre.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schwarzkörperquelle eine Halogenlampe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bestimmen, unter Verwendung der Beziehung, von Variationen einer Temperatur einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems, basierend auf einem Verhältnis von Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, zu Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend das Bestimmen einer Temperatur eines Schmelzepools in einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems, durch Messen von Mengen an Energie, welche durch den Schmelzepool mit der ersten und der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, und unter Verwendung des Verhältnisses der ersten Spannungen zu den zweiten Spannungen, um die Temperatur des Schmelzepools zu bestimmen.
Kalibrierungsgerät, Folgendes umfassend: einen ersten und einen zweiten optischen Sensor, welche angeordnet sind, um eine Strahlungsintensität aufzuzeichnen, welche aus einem Baubereich eines additiven Fertigungssystems jeweils mit einer ersten Bandbreite und einer zweiten Bandbreite ausgesendet wird; eine Schwarzkörperquelle; einen Prozessor; und einen Speicher, welcher mit dem Prozessor gekoppelt ist und durch den Prozessor ausführbare Anweisungen umfasst, wobei die Anweisungen den Prozessor veranlassen zum: Sammeln einer gemessenen Menge an Energie, durch den ersten optischen Sensor, welche von der Schwarzkörperquelle mit der ersten Bandbreite ausgestrahlt wird; Sammeln einer gemessenen Menge an Energie, durch den zweiten optischen Sensor, welche von der Schwarzkörperquelle mit der zweiten Bandbreite ausgestrahlt wird; und Erzeugen einer Kalibrierungsbeziehung, basierend auf einem Verhältnis der gesammelten gemessenen Menge an Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, zu der gesammelten gemessenen Menge an Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird.
Kalibrierungsgerät nach Anspruch 10, wobei der erste und der zweite optische Sensor jeweils ein erster und ein zweiter Photodetektor sind.
Kalibrierungsgerät nach Anspruch 11, wobei das Erzeugen der Kalibrierungsbeziehung das Erzeugen eines Verhältnisses zwischen ersten, durch den ersten Photodetektor bei bekannten Schwarzkörperquellen-Temperaturen erzeugten Spannungen, und zweiten, durch den zweiten Photodetektor bei bekannten Schwarzkörperquellen-Temperaturen erzeugten Spannungen umfasst.
Kalibrierungsgerät nach Anspruch 12, wobei die Schwarzkörperquelle dort positioniert ist, wo der Baubereich auf einer Bauebene des additiven Fertigungssystems während eines Betriebs des additiven Fertigungssystems befindlich wäre.
Kalibrierungsgerät nach Anspruch 13, wobei die Schwarzkörperquelle eine Wolframbandlampe umfasst.
Kalibrierungsgerät nach Anspruch 10, wobei die Anweisungen den Prozessor ferner zum Bestimmen von Variationen einer Temperatur einer Bauebene des additiven Fertigungssystems veranlassen, basierend auf einem Verhältnis zwischen einer Menge an Energie, welche mit der ersten Bandbreite ausgestrahlt wird und einer Menge an Energie, welche mit der zweiten Bandbreite ausgestrahlt wird.
Kalibrierungsgerät nach Anspruch 12, wobei die Anweisungen den Prozessor ferner zum Bestimmen einer Temperatur des Baubereichs des additiven Fertigungssystems veranlassen, basierend auf einem Verhältnis zwischen einer Menge an Energie, welche durch den Baubereich mit der ersten Bandbreite ausgestrahlt wird und einer Menge an Energie, welche mit der zweiten Bandbreite ausgestrahlt wird, während eines Betriebs des additiven Fertigungssystems unter Verwendung der Kalibrierungsbeziehung.
Kalibrierungsverfahren, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen erster Spannungen, durch einen ersten Photodetektor, in Reaktion auf das Empfangen einer Menge an Energie, welche von einer Schwarzkörperquelle mit einer ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, wobei die Schwarzkörperquelle eine bekannte Temperatur aufweist; Erzeugen zweiter Spannungen, durch einen zweiten Photodetektor, in Reaktion auf das Empfangen einer Menge an Energie, welche von einer Schwarzkörperquelle mit einer zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird, wobei die Schwarzkörperquelle eine bekannte Temperatur aufweist; und Erzeugen einer Kalibrierungsbeziehung, basierend auf einem Verhältnis der ersten Spannungen zu den zweiten Spannungen.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend das Bestimmen, unter Verwendung der Kalibrierungsbeziehung, von Variationen einer Temperatur einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems, basierend auf einem Verhältnis von Energie, welche mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlt wird, zu Energie, welche mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Schwarzkörperquelle eine Halogenlampe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Schwarzkörperquelle dort positioniert ist, wo ein geschmolzener Bereich in einer Bauebene eines additiven Fertigungssystems während eines Betriebs des additiven Fertigungssystems befindlich wäre.