DE102022126951A1 - Method and device for controlling heat input into a component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil durch einen Laserstrahl, mit den Schritten: Periodisches Scannen einer Oberfläche des Bauteils mit dem Laserstrahl; Erfassen, während des periodischen Scannens, von Photoemissionen welche von einem mit dem Laserstrahl bestrahlten vorbestimmten Teilbereich der Oberfläche emittiert werden; Bestimmen eines periodischen Temperaturverlaufs einer Oberflächentemperatur und einer mittleren Oberflächentemperatur basierend auf den erfassten Photoemissionen; Berechnen einer Abweichung der mittleren Oberflächentemperatur von einer Obergrenze eines vorbestimmten Zieltemperaturbereichs und von einer Untergrenze des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs; und Anpassen eines durch eine Lasersteuerung geregelten Energieeintrags in das Bauteil basierend auf den berechneten Abweichungen. Die Erfindung betrifft ferner ein alternatives Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil mit einem Laserstrahl.The invention relates to a method for controlling heat input into a component by a laser beam, comprising the steps of: periodically scanning a surface of the component with the laser beam; detecting, during the periodic scanning, photoemissions which are emitted by a predetermined partial area of the surface irradiated with the laser beam; determining a periodic temperature profile of a surface temperature and an average surface temperature based on the detected photoemissions; calculating a deviation of the average surface temperature from an upper limit of a predetermined target temperature range and from a lower limit of the predetermined target temperature range; and adjusting an energy input into the component controlled by a laser control based on the calculated deviations. The invention further relates to an alternative method and a corresponding device for controlling heat input into a component with a laser beam.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil, sowie ein alternatives Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil.The present invention relates to a method and a corresponding device for controlling a heat input into a component, as well as an alternative method and a corresponding device for controlling a heat input into a component.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Bei der additiven Fertigung von Bauteilen kann nach dem Aufschmelzen und vor oder nach dem Verfestigen des Materials zur Bildung einer additiven Schicht in regelmäßigen Abständen, oder erst nach der Fertigung, eine in-situ Wärmebehandlung erfolgen. Dabei kann der gleiche Laser verwendet werden, um beispielsweise Eigenspannungen in den gefertigten Schichten durch einen gezielten Wärmeeintrag zu reduzieren. Allerdings ist es schwierig, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in den Schichten zu erhalten, da unregelmäßig aufgetragenes Material, unterschiedliche Wärmeableitungen usw. lokale Temperaturunterschiede verursachen. So können mit der Messung der Temperatur der Oberfläche Rückschlüsse über die Unterschiede erhalten werden, um dann die Parameter, wie die Ausgangsleistung des Lasers anzupassen, um beispielsweise ein erneutes Aufschmelzen des Materials zu verhindern.In the additive manufacturing of components, in-situ heat treatment can be carried out at regular intervals after melting and before or after solidification of the material to form an additive layer, or only after production. The same laser can be used, for example, to reduce residual stresses in the manufactured layers by applying targeted heat. However, it is difficult to achieve a uniform temperature distribution in the layers, as irregularly applied material, different heat dissipation, etc. cause local temperature differences. By measuring the temperature of the surface, conclusions can be drawn about the differences in order to then adjust the parameters, such as the output power of the laser, for example to prevent the material from melting again.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur dynamischen Anpassung des Wärmeeintrags bei einem scannenden Bearbeitungsverfahren anzugeben.Against this background, the present invention is based on the object of specifying an improved method for dynamically adjusting the heat input in a scanning machining process.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und/oder durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of
Demgemäß ist vorgesehen:
- - Ein Verfahren zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil durch einen Laserstrahl, mit den Schritten: Periodisches Scannen einer Oberfläche des Bauteils mit dem Laserstrahl; Erfassen, während des periodischen Scannens, von Photoemissionen, welche von einem mit dem Laserstrahl bestrahlten vorbestimmten Teilbereich der Oberfläche emittiert werden; Bestimmen eines periodischen Temperaturverlaufs einer Oberflächentemperatur und einer mittleren Oberflächentemperatur basierend auf den erfassten Photoemissionen; Berechnen einer Abweichung der mittleren Oberflächentemperatur von einer Obergrenze eines vorbestimmten Zieltemperaturbereichs und einer Untergrenze des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs; und Anpassen eines durch eine Lasersteuerung geregelten Energieeintrags in das Bauteil basierend auf den berechneten Abweichungen.
- - Ein Verfahren zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil durch einen Laserstrahl, mit den Schritten: Scannen einer Oberfläche des Bauteils mit dem Laserstrahl entlang einer Scanstrecke; Erfassen von Photoemissionen, welche beim Scannen entlang der Scanstrecke von der Oberfläche emittiert werden; Bestimmen eines Verlaufs einer Oberflächentemperatur entlang der Scanstrecke basierend auf den erfassten Photoemissionen; Berechnen einer Abweichung der Oberflächentemperatur von einer vorbestimmten Zieltemperatur entlang der Scanstrecke; und Erneutes Scannen der Oberfläche und gleichzeitiges dynamisches Anpassen eines durch eine Lasersteuerung geregelten Energieeintrags in das Bauteil entlang der Scanstrecke basierend auf der bestimmten Abweichung der Oberflächentemperatur von der Zieltemperatur.
- - Eine Vorrichtung zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil durch einen Laserstrahl, mit einem Laser, welcher derart ausgebildet ist, bei einer Bestrahlung mit dem von dem Laser emittierten Laserstrahl auf eine Oberfläche des Bauteils einen Wärmeeintrag zu erzeugen; mit einer Strahlsteuerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein periodisches Scannen des Laserstrahls auf der Oberfläche auszuführen; mit einem Sensor, welcher dazu ausgebildet ist, Photoemissionen, welche bei dem Scannen von der mit dem Laserstrahl bestrahlen Oberfläche emittiert werden, zu detektieren; und mit einer Steuerungseinrichtung, welche mit dem Laser und dem Sensor verbunden ist, und dazu ausgelegt ist: einen periodischen Temperaturverlauf der Oberflächentemperatur und eine mittlere Oberflächentemperatur des Teilbereichs basierend auf den erfassten Photoemissionen des Teilbereichs zu bestimmen, eine Abweichung der mittleren Oberflächentemperatur von einer Obergrenze des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs und einer Untergrenze des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs zu berechnen, und einen durch eine Lasersteuerung geregelten Energieeintrag in das Bauteil basierend auf der bestimmten Abweichung des Maximums und Minimums von der Obergrenze und Untergrenze des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs anzupassen.
- - Eine Vorrichtung zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil durch einen Laserstrahl, mit einem Laser, welcher derart ausgebildet ist, bei einer Bestrahlung mit dem von dem Laser emittierten Laserstrahl auf eine Oberfläche des Bauteils einen Wärmeeintrag zu erzeugen; und mit einer Strahlsteuerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein Scannen des Laserstrahls auf der Oberfläche auszuführen; mit einem dem Scannen mitgeführten Sensor, welcher dazu ausgebildet ist, Photoemissionen, welche von der mit dem Laserstrahl bestrahlten Oberfläche emittiert werden, zu detektieren; mit einer Steuerungseinrichtung, welche mit dem Laser und dem Sensor verbunden ist, und dazu ausgelegt ist: eine Oberflächentemperatur basierend auf den erfassten Photoemissionen zu bestimmen, eine Abweichung der Oberflächentemperatur von einer vorbestimmten Zieltemperatur zu berechnen, und einen durch eine Lasersteuerung geregelten Energieeintrag in das Bauteil basierend auf der berechneten Abweichung der Oberflächentemperatur von der Zieltemperatur anzupassen.
- - A method for controlling a heat input into a component by a laser beam, comprising the steps of: Periodically scanning a surface of the component with the laser beam; detecting, during the periodic scanning, photoemissions emitted by a predetermined partial area of the surface irradiated with the laser beam; Determining a periodic temperature profile of a surface temperature and an average surface temperature based on the detected photoemissions; Calculating a deviation of the average surface temperature from an upper limit of a predetermined target temperature range and a lower limit of the predetermined target temperature range; and adjusting an energy input into the component controlled by a laser control based on the calculated deviations.
- - A method for controlling a heat input into a component by a laser beam, comprising the steps of: scanning a surface of the component with the laser beam along a scanning path; detecting photoemissions emitted by the surface during scanning along the scanning path; determining a course of a surface temperature along the scanning path based on the detected photoemissions; calculating a deviation of the surface temperature from a predetermined target temperature along the scanning path; and re-scanning the surface and simultaneously dynamically adjusting an energy input into the component controlled by a laser control along the scanning path based on the determined deviation of the surface temperature from the target temperature.
- - A device for controlling a heat input into a component by a laser beam, with a laser which is designed to generate a heat input when irradiated with the laser beam emitted by the laser on a surface of the component; with a beam control device which is designed to carry out a periodic scanning of the laser beam on the surface; with a sensor which is designed to detect photo emissions which are emitted during the scanning from the surface irradiated with the laser beam; and with a control device which is connected to the laser and the sensor and is designed to: determine a periodic temperature profile of the surface temperature and an average surface temperature of the partial area based on the detected photo emissions of the partial area, a deviation of the average surface temperature from an upper limit of the predetermined target temperature range and a lower limit of the predetermined target temperature range, and to adjust an energy input into the component controlled by a laser control based on the determined deviation of the maximum and minimum from the upper limit and lower limit of the predetermined target temperature range.
- - A device for controlling a heat input into a component by a laser beam, with a laser which is designed to generate a heat input when irradiated with the laser beam emitted by the laser onto a surface of the component; and with a beam control device which is designed to scan the laser beam on the surface; with a sensor which is carried along with the scanning and is designed to detect photoemissions which are emitted by the surface irradiated with the laser beam; with a control device which is connected to the laser and the sensor and is designed to: determine a surface temperature based on the detected photoemissions, calculate a deviation of the surface temperature from a predetermined target temperature, and adjust an energy input into the component which is controlled by a laser control based on the calculated deviation of the surface temperature from the target temperature.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis besteht darin, dass das Aufschmelzen des Materials positionsabhängig sein kann, da das hier additiv gefertigte Bauteil abhängig von der Position unterschiedliche Wärmeableitungsvermögen aufweisen kann. Dies kann beispielsweise aufgrund einer unterschiedlichen Dicke oder Bauhöhe unterhalb der bestrahlten Oberfläche der Fall sein.The finding underlying the present invention is that the melting of the material can be position-dependent, since the component manufactured additively here can have different heat dissipation capabilities depending on the position. This can be the case, for example, due to a different thickness or height below the irradiated surface.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die Oberflächentemperatur der bestrahlten Oberfläche des Bauteils während dem Scannen zu messen, um Informationen über die in dem Bauteil aktuell herrschende Temperatur zu gewinnen. Basierend auf den dadurch gewonnenen Informationen kann eine Lasersteuerung, welche sämtliche Parameter, die für das Scannen mit dem Laserstrahl Einfluss auf den Energieeintrag in das Bauteil haben, angepasst werden.The idea underlying the present invention is to measure the surface temperature of the irradiated surface of the component during scanning in order to obtain information about the current temperature in the component. Based on the information obtained in this way, a laser control system can be adjusted, which controls all parameters that influence the energy input into the component when scanning with the laser beam.
Dies kann mit zwei sich ergänzenden und alternativen Verfahren und entsprechenden Vorrichtungen erreicht werden. Das erste Verfahren sieht eine stationäre Messung der Oberflächentemperatur der bestrahlten Oberfläche des Bauteils während dem Scannen vor. Dieser Teilbereich der stationären Messung kann überall auf der Oberfläche gewählt werden, ist bevorzugt jedoch ein mittiger Bereich. Der daraus gewonnene Temperaturverlauf verläuft ebenso periodisch wie das Scannen selbst und sollte innerhalb eines bestimmten Zieltemperaturbereichs verlaufen, der für eine Wärmebehandlung eines Materials vorteilhaft ist. Durch Vergleiche der mittleren Temperatur, alternativ durch die Maxima und Minima, des oszillierenden Temperaturverlaufs können Aussagen über die Anpassung der Scanparameter, insbesondere der Laserstrahlleistung oder Ausgangsleistung des Lasers gewonnen und entsprechend angepasst werden.This can be achieved using two complementary and alternative methods and corresponding devices. The first method involves a stationary measurement of the surface temperature of the irradiated surface of the component during scanning. This part of the stationary measurement can be selected anywhere on the surface, but is preferably a central area. The temperature profile obtained from this is just as periodic as the scanning itself and should be within a certain target temperature range that is advantageous for heat treatment of a material. By comparing the average temperature, or alternatively the maxima and minima, of the oscillating temperature profile, statements can be made about the adjustment of the scanning parameters, in particular the laser beam power or output power of the laser, and adjusted accordingly.
Das zweite Verfahren sieht einen mitgeführten Sensor vor, der die Oberflächentemperatur über detektierte Photoemissionen an oder zumindest in der Nähe der Stelle bestimmt, an dem der Laserstrahl gerade operiert. Daraus folgt ein Temperaturverlauf, der bei geeigneter Ausgangsleistung und übrigen Parametern wie Strahldurchmesser usw. um eine Zieltemperatur schwankt. Diese Schwankungen kommen durch Unregelmäßigkeit der Oberflächentemperatur von Bereichen der Oberfläche zustande, welche beispielsweise ein unterschiedliches lokales Wärmeableitungsvermögen aufweisen.The second method involves a sensor that is carried along and determines the surface temperature via detected photoemissions at or at least near the point where the laser beam is currently operating. This results in a temperature profile that fluctuates around a target temperature with a suitable output power and other parameters such as beam diameter, etc. These fluctuations are caused by irregularities in the surface temperature of areas of the surface that, for example, have different local heat dissipation capacities.
Der Laser kann je nach Material unterschiedlich gewählt werden. So sind Laser mit emittierter Wellenlänge vom UV-Bereich bis zum fernen Infrarot möglich. Bevorzugt werden Laser im nahen Infrarot, beispielsweise mit einer Wellenlänge von ca. 1030 nm mit Yb-dotierten aktiven Materialen, zum Beispiel Faserlaser, verwendet, da diese zuverlässige und kostengünstig hohe Leistung bei guter Strahlqualität liefern. Für beide Alternativen des Verfahrens und Vorrichtungen können auch für Mehr-Laser Systeme ausgestaltet werden, in denen mitgeführte oder auch stationäre Sensoren in einem gemeinsamen oder einzelnen Strahlengang verbaut sind.The laser can be selected differently depending on the material. Lasers with emitted wavelengths from the UV range to the far infrared are possible. Lasers in the near infrared, for example with a wavelength of around 1030 nm with Yb-doped active materials, such as fiber lasers, are preferred, as these deliver high performance with good beam quality in a reliable and cost-effective manner. For both alternative methods and devices, multi-laser systems can also be designed in which carried or stationary sensors are installed in a common or individual beam path.
Eine Strahlsteuerungseinrichtung steuert die Richtung des Laserstrahls auf der Oberfläche. Dies ist gewöhnlicherweise ein Scanner mit drehbaren Scanspiegeln, kann aber auch beispielsweise sich bewegende oder rotierende transmissive Optiken aufweisen. Die Strahlsteuerungseinrichtung enthält außerdem noch eine Fokussieroptik zur Steuerung des Strahldurchmessers.A beam steering device controls the direction of the laser beam on the surface. This is usually a scanner with rotating scanning mirrors, but can also have moving or rotating transmissive optics, for example. The beam steering device also contains focusing optics to control the beam diameter.
Das Anpassen der Lasersteuerung umfasst alle Parameter, die Einfluss auf den Energieeintrag in das Bauteil und damit auf die Wärmeentwicklung und Temperatur des Bauteils haben. Diese können neben der Ausgangsleistung des Lasers die Scangeschwindigkeit, den Strahldurchmesser bzw. die Strahlgröße auf der Oberfläche, eine Wellenlänge, Pulsfrequenz, Duty-Cycle einer Modulation des Laserstrahls, eine Einstellung eines Abschwächers, usw. sein. All diese Parameter können von der Steuerungseinrichtung angesteuert und entsprechend angepasst werden.Adjusting the laser control includes all parameters that influence the energy input into the component and thus the heat development and temperature of the component. In addition to the output power of the laser, these can be the scanning speed, the beam diameter or the beam size on the surface, a wavelength, pulse frequency, duty cycle of a modulation of the laser beam, an attenuator setting, etc. All of these parameters can be controlled by the Control device can be controlled and adjusted accordingly.
Das Bauteil kann jede Art von Bauteil sein, welcher eine Wärmebehandlung unterzogen werden kann. Dies kann Aluminium oder Stahllegierung umfassen, die jeweils bis zu 660°C oder 1400°C und mehr erhitzt werden, um Eigenspannungen abzubauen. Auch Nickel-basierte Legierung sind möglich.The component can be any type of component that can be subjected to heat treatment. This can include aluminum or steel alloy, each heated to 660°C or 1400°C and more to relieve residual stresses. Nickel-based alloys are also possible.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.Advantageous embodiments and further developments emerge from the further subclaims and from the description with reference to the figures of the drawing.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Erfassen von Photoemissionen durch ein Pyrometer, welches in dem Spektralbereich der Photoemissionen empfindlich ist. Die Anordnung ermöglicht somit eine einfache Erfassung von Photoemissionen des gleichen Teilbereichs der Oberfläche während dem periodischen Scanvorgang.According to a further preferred embodiment, the detection of photoemissions is carried out by a pyrometer which is sensitive in the spectral range of the photoemissions. The arrangement thus enables simple detection of photoemissions from the same partial area of the surface during the periodic scanning process.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform oszilliert der bestimmte periodische Temperaturverlauf zwischen Maxima und Minima näherungsweise gemäß einer Sinuskurve. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn der Teilbereich der Oberfläche, von welchem die Photoemissionen erfasst werden, in regelmäßigen Zeitintervallen gescannt wird.According to a further preferred embodiment, the specific periodic temperature profile oscillates between maxima and minima approximately according to a sine curve. This is generally the case when the partial area of the surface from which the photoemissions are recorded is scanned at regular time intervals.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Obergrenze des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs unterhalb der Schmelztemperatur eines für das Bauteil verwendeten Materials. Die ist vorteilhaft bei einer Wärmebehandlung, in-situ und post-processing einer oder mehrerer additiv aufgetragener Schichten, beispielsweise zur Reduzierung von Eigenspannungen.According to a further preferred embodiment, the upper limit of the predetermined target temperature range is below the melting temperature of a material used for the component. This is advantageous in the case of heat treatment, in-situ and post-processing, of one or more additively applied layers, for example to reduce residual stresses.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Erfassen von Photoemissionen durch einen dem Scannen mitgeführten Sensor. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Erfassung der Photoemissionen, woraus eine genauere Bestimmung der lokalen Oberflächentemperatur folgt.According to a preferred embodiment, the detection of photoemissions is carried out by a sensor that is carried along with the scanning. This enables a uniform detection of the photoemissions, which results in a more precise determination of the local surface temperature.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Sensor zumindest eine koaxial angeordnete Photodiode auf. Koaxial bedeutet hier, dass die Photodiode auf der gleichen optischen Achse wie der scannende Laserstrahl die Photoemissionen erfassen kann. Eine dem Emissionsspektrum entsprechend ausgewählte Photodiode besitzt eine gute Empfindlichkeit und besitzt ein gutes zeitliches Auflösungsvermögen. So sind bei der Wärmebehandlung von Aluminium gängige Temperaturen von ca. 660°C oder von Stahl 1400°C bis 1500°C zu messen, welche einen Emissionspeak nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz zwischen 1 um und 3 um mit entsprechender Breite haben. Diese Emissionen sind noch mit einer Silizium-Diode oder aber mit einer InGaAs-Diode erfassbar. In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch einen weiteren Strahlteiler beide Arten von Photodiode zur Messung der Photoemissionen verwendet.According to a further preferred embodiment, the sensor has at least one coaxially arranged photodiode. Coaxial here means that the photodiode can detect the photoemissions on the same optical axis as the scanning laser beam. A photodiode selected according to the emission spectrum has good sensitivity and has good temporal resolution. For example, when heat treating aluminum, common temperatures of around 660°C or 1400°C to 1500°C for steel can be measured, which have an emission peak according to Planck's radiation law between 1 μm and 3 μm with a corresponding width. These emissions can also be detected with a silicon diode or with an InGaAs diode. In a preferred embodiment, both types of photodiode are used to measure the photoemissions using a further beam splitter.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich ein Kalibrierungsschritt vorgesehen, bei dem der Sensor zur Erfassung der Photoemissionen entlang der Scanstrecke kalibriert wird. Ein solche Kalibrierung erhöht die Genauigkeit der Temperaturmessung und ermöglicht eine genaue Erfassung der absoluten Temperatur.According to a further preferred embodiment, a calibration step is additionally provided in which the sensor is calibrated to detect the photoemissions along the scanning path. Such a calibration increases the accuracy of the temperature measurement and enables precise detection of the absolute temperature.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das periodische Scannen der Oberfläche des Bauteils eine Aufheizphase, in welcher die Oberfläche von einer Raumtemperatur auf den vorbestimmten Zieltemperaturbereich aufgeheizt wird. Ferner erfolgt das Bestimmen der Abweichung mit dem Bestimmen der Abweichungen der Maxima und Minima des periodischen Temperaturverlaufs der Oberflächentemperatur zu einer Obergrenze und Untergrenze eines Zieltemperaturanstiegsbereichs. Der Zieltemperaturanstiegsbereich folgt einem vorbestimmten und typischerweise dem Material angepassten Temperaturanstieg, durch welchen beispielsweise eine Rissbildung des Materials vermieden wird. Außerdem erfolgt das Anpassen des durch eine Lasersteuerung geregelten Energieeintrags in das Bauteil basierend der bestimmten Abweichungen, so dass die Oberflächentemperatur innerhalb des Zieltemperaturanstiegsbereichs periodisch oszilliert. Somit kann eine gute Temperaturkontrolle auch während einer Aufheizphase gewährleistet werden. Ferner ist eine Abkühlphase vorgesehen, in welchem das Bauteil von dem Zieltemperaturbereich auf die Umgebungstemperatur abkühlt. In dieser Abkühlphase kann die laserbasierte Wärmebehandlung durch gezielte Einbringung geringer Energiemengen mittels des Scannens der Oberfläche des Bauteils eine Verlangsamung der Abkühlung bzw. einer Abkühlkurve erreicht werden.According to a further preferred embodiment, the periodic scanning of the surface of the component includes a heating phase in which the surface is heated from room temperature to the predetermined target temperature range. Furthermore, the deviation is determined by determining the deviations of the maxima and minima of the periodic temperature profile of the surface temperature to an upper limit and lower limit of a target temperature increase range. The target temperature increase range follows a predetermined temperature increase that is typically adapted to the material, which prevents cracking of the material, for example. In addition, the energy input into the component, which is regulated by a laser control, is adjusted based on the determined deviations, so that the surface temperature oscillates periodically within the target temperature increase range. In this way, good temperature control can be ensured even during a heating phase. Furthermore, a cooling phase is provided in which the component cools from the target temperature range to the ambient temperature. In this cooling phase, laser-based heat treatment can slow down the cooling or achieve a cooling curve by applying small amounts of energy by scanning the surface of the component.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor derart stationär angeordnet, um die von einem mit dem Laser bestrahlten vorbestimmten Teilbereich der Oberfläche emittierten Photoemissionen zu erfassen. Auf diese Weise können periodisch dem Scannen folgend Photoemissionen eines Bereichs erfasst werden.According to a further preferred embodiment, the sensor is arranged in a stationary manner in order to detect the photoemissions emitted by a predetermined partial area of the surface irradiated with the laser. In this way, photoemissions from an area can be detected periodically following the scanning.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor als eine Thermokamera ausgebildet, welche zur Detektion der von dem Teilbereich emittierten Photoemissionen ausgebildet ist. Eine Thermokamera liefert zuverlässige Oberflächentemperaturwerte des Teilbereichs der Oberfläche.According to a further preferred embodiment, the sensor is designed as a thermal camera, which is used to detect the area emitted photoemissions. A thermal camera provides reliable surface temperature values of the partial area of the surface.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Auskopplungseinrichtung vorgesehen, welche derart angeordnet ist, um die Photoemissionen zwischen der Strahlsteuerungseinrichtung und dem Laser zu dem Sensor auszukoppeln. So kann ein Erfassungsbereich des Sensors auf einfache Weise dem Scannen mitgeführt werden.According to a further preferred embodiment, an output device is provided which is arranged in such a way as to output the photo emissions between the beam control device and the laser to the sensor. In this way, a detection range of the sensor can be easily moved along with the scanning.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Sensor zumindest eine koaxial angeordnete Photodiode auf, welche zur Detektion der von der Oberfläche emittierten Photoemissionen ausgebildet ist. Wie oben bereits erwähnt, bedeutet eine koaxiale Anordnung in diesem Zusammenhang, dass die Photodiode auf der gleichen optischen Achse wie der scannende Laserstrahl die Photoemissionen erfassen kann. Eine dem Emissionsspektrum entsprechend ausgewählte Photodiode besitzt eine gute Empfindlichkeit und besitzt ein gutes zeitliches Auflösungsvermögen.According to a further preferred embodiment, the sensor has at least one coaxially arranged photodiode, which is designed to detect the photoemissions emitted by the surface. As already mentioned above, a coaxial arrangement in this context means that the photodiode can detect the photoemissions on the same optical axis as the scanning laser beam. A photodiode selected according to the emission spectrum has good sensitivity and has good temporal resolution.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind sämtliche Merkmale der Vorrichtung zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein additiv gefertigtes Bauteil auf die entsprechenden Verfahren zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein additiv gefertigtes Bauteil übertragbar, und umgekehrt. The above embodiments and further developments can be combined with one another as desired, provided that this makes sense. In particular, all features of the device for controlling heat input into an additively manufactured component can be transferred to the corresponding methods for controlling heat input into an additively manufactured component, and vice versa.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Alle Ausgestaltungen sollen auch für Mehr-Laser Systeme gelten, in denen mitgeführte Sensoren in einem gemeinsamen oder einzelnen Strahlengang verbaut sind. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.Further possible embodiments, further developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. All embodiments should also apply to multi-laser systems in which sensors are installed in a common or individual beam path. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNGTABLE OF CONTENTS OF THE DRAWING
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil; -
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines entsprechenden Verfahrens zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil; -
3 eine schematische Darstellung einer Oberfläche des Bauteils mit eingezeichneter Scanstrecke gemäß eines Ausführungsbeispiels; -
4 ein Diagramm eines Temperaturverlaufs gemäß eines Ausführungsbeispiels; -
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil; -
6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines entsprechenden Verfahrens zur Regelung eines Wärmeeintrags in ein Bauteil; und -
7 ein Diagramm eines Temperaturverlaufs gemäß eines Ausführungsbeispiels.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a device for controlling heat input into a component; -
2 a schematic representation of an embodiment of a corresponding method for controlling heat input into a component; -
3 a schematic representation of a surface of the component with a scan path marked in accordance with an embodiment; -
4 a diagram of a temperature curve according to an embodiment; -
5 a schematic representation of an embodiment of a device for controlling heat input into a component; -
6 a schematic representation of an embodiment of a corresponding method for controlling heat input into a component; and -
7 a diagram of a temperature curve according to an embodiment.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.The accompanying drawings are intended to provide a further understanding of embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, in conjunction with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the noted advantages will be apparent upon reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale with respect to one another.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures of the drawing, identical, functionally identical and acting elements, features and components are provided with the same reference symbols, unless otherwise stated.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF EXAMPLES OF IMPLEMENTATION
Die in
Die Vorrichtung 1 weist außerdem noch eine Strahlsteuerungseinrichtung 3 auf, welche ausgebildet ist, um ein periodisches Scannen des Laserstrahls 5 auf der Oberfläche 6a auszuführen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlsteuerungseinrichtung 3 als ein Scanner mit Scanspiegeln 3a ausgebildet. Die Scangeschwindigkeit sollte dabei sehr hoch gewählt werden, damit ein möglichst homogener Wärmeeintrag erreicht wird. Typischerweise sind Scangeschwindigkeiten im Bereich von 10 m/s bis 30 m/s.The
Die Vorrichtung 1 weist außerdem einen Sensor 4 auf, welcher dazu ausgebildet ist, einen Wellenlängenbereich von Photoemissionen 7, welche bei dem Scannen von der mit dem Laserstrahl 5 bestrahlen Oberfläche 6a emittiert werden, zu detektieren. In dieser ersten Vorrichtung ist der Sensor 4 stationär angeordnet und als Pyrometer ausgebildet, um die von einem mit dem Laser bestrahlten vorbestimmten Teilbereichs 12 der Oberfläche 6a emittierten Photoemissionen 7 zu erfassen. Der Sensor 4 ist hier alternativ als eine Thermokamera ausgebildet, welche zur Detektion der von dem Teilbereich 12 emittierten Photoemissionen 7 ausgebildet ist, indem es bestimmte Wellenlängenbereiche im Nahen und Mittleren Infrarot (beispielsweise 1 um bis 3 um) detektieren kann.The
Außerdem enthält die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung 8, welche mit dem Laser 2 und dem Sensor 4 verbunden bzw. gekoppelt ist. Die Steuerungseinrichtung 8 ist dazu ausgelegt einen periodischen Temperaturverlauf der Oberflächentemperatur Ts des Teilbereichs 12 basierend auf den erfassten Photoemissionen des Teilbereichs 12 zu bestimmen. Die Steuerungseinrichtung 8 ist außerdem dazu ausgelegt eine Abweichung eines Maximums T1 des bestimmten periodischen Temperaturverlaufs von einer Obergrenze TZ1 des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs ΔTZ und eines Minimums T2 des bestimmten periodischen Temperaturverlaufs von einer Untergrenze TZ2 des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs ΔTZ zu berechnen. Ferner ist die Steuerungseinrichtung 8 dazu ausgelegt, einen durch eine Lasersteuerung geregelten Energieeintrag in das Bauteil basierend auf der bestimmten Abweichung des Maximums T1 und Minimums T2 von der Obergrenze TZ1 und Untergrenze TZ2 des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs ΔTZ anzupassen. Die Obergrenze TZ1 des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs ΔTZ ist dabei unterhalb der Schmelztemperatur eines für das Bauteil 6 verwendeten Materials.The device also contains a
Das Anpassen der Lasersteuerung umfasst dabei alle Parameter, die Einfluss auf den Energieeintrag in das Bauteil und damit auf die Wärmeentwicklung und Temperatur des Bauteils 6 haben. Diese können neben der Ausgangsleistung des Lasers 2, die Scangeschwindigkeit, den Strahldurchmesser 13 bzw. die Strahlgröße auf der Oberfläche 6a, eine Wellenlänge, Pulsfrequenz, Duty-Cycle einer Modulation des Laserstrahls 5, usw. sein. All diese Parameter können von der Steuerungseinrichtung 8 angesteuert und entsprechend angepasst werden.The adjustment of the laser control includes all parameters that influence the energy input into the component and thus the heat development and temperature of the
Das in
In
Das in
Zunächst wird in einer Aufheizphase 23 das periodische Scannen der Oberfläche 6a des Bauteils 6 durchgeführt, um die Oberfläche 6 von einer Raumtemperatur auf den vorbestimmten Zieltemperaturbereich ΔTZ aufzuheizen. Dabei können die Abweichungen der Maxima T2 und Minima T1 des periodischen Temperaturverlaufs der Oberflächentemperatur TS zu einer Obergrenze TAZ1 und Untergrenze TAZ2 eines Zieltemperaturanstiegsbereichs ΔTZ bestimmt werden. Ferner kann dann die durch die Lasersteuerung geregelten Energieeintrag in das Bauteil basierend der bestimmten Abweichungen angepasst werden, so dass die Oberflächentemperatur Ts innerhalb des Zieltemperaturanstiegsbereichs periodisch oszilliert. Dies führt dann zu dem kontrollierten Temperaturanstieg, wie in
Während der Oszillation ist die Abkühlung, d.h. der sinkende Teil der Oszillation zwischen einem Maximum T2 oder TA2 und einem Minimum T1 oder TA1, durch die Wärmeabfuhr des unterliegenden Materials des Bauteils 6 bestimmt. Die lokale Aufwärmung, d.h. der steigende Teil der Oszillation zwischen einem Minimum T1 oder TA1 und einem Maximum T2 oder TA2, ist durch die Scangeschwindigkeit und die Laserleistung des Lasers gegeben, welcher lokal einen Punkt aufheizt. Die Steigung der mittleren Oberflächentemperatur 24 während der Aufheizphase 23 ist durch eine Heizfrequenz bestimmt, welche das Inverse einer Dauer angibt, bis ein Punkt auf der Oberfläche des Bauteils ein wiederholtes Mal belichtet wird. Je öfter der Laserstrahl eine stelle belichtet, desto mehr überwiegt die Aufwärmung, und je seltener diese Stelle belichtet wird, desto mehr überwiegt die Abkühlung. Sind Abkühlung und Energieeintrag im Gleichgewicht wird eine konstante mittlere Temperatur gehalten, wie in
In einer stationären Phase wird dann analog des oben beschriebenen Verfahrens eine Abweichung der mittlere Temperatur, alternativ der Maxima TS1 und Minima TS2 des bestimmten periodischen Temperaturverlaufs von der Obergrenze TZ1 eines vorbestimmten Zieltemperaturbereichs ΔTZ und von einer Untergrenze TZ2 des vorbestimmten Zieltemperaturbereichs ΔTZ berechnet. Diese Regelung führt zu einer stationären Oszillation der Oberflächentemperatur TS im Zieltemperaturbereich ΔTZ, was für eine effektive Wärmebehandlung unerlässlich ist.In a stationary phase, a deviation of the mean temperature, alternatively the maxima T S1 and minima T S2 of the specific periodic temperature profile from the upper limit T Z1 of a predetermined target temperature range ΔT Z and from a lower limit T Z2 of the predetermined target temperature range ΔT Z is then calculated analogously to the method described above. This control leads to a stationary oscillation of the surface temperature T S in the target temperature range ΔT Z , which is essential for effective heat treatment.
Die in
Die Vorrichtung 1' unterscheidet sich außerdem durch eine leicht angepasst ausgelegte Steuerungseinrichtung 8, um eine Oberflächentemperatur Ts basierend auf den erfassten Photoemissionen 7 zu bestimmen, eine Abweichung der Oberflächentemperatur TS von einer vorbestimmten Zieltemperatur TZ zu berechnen, und eine Ausgangsleistung des Lasers 2 basierend auf der berechneten Abweichung der Oberflächentemperatur Ts von der Zieltemperatur TZ anzupassen. Da hier der Sensor mitgeführt wird, ist es unerlässlich, dass auch die Steuerungseinrichtung 8 die von dem Sensor 4` gelieferten Daten relativ schnell, beispielsweise im kHz-Bereich verarbeiten, und die Ausgangsleistung des Lasers 2 schnell ansteuern kann.The device 1' is also distinguished by a slightly adapted
Das gezeigte Verfahren 1' weist den Schritt eines Scannens S1` einer Oberfläche 6a eines Bauteils 6 mit einem Laserstrahl 5 entlang einer Scanstrecke 10 auf. Dann erfolgt ein Erfassen S2` von Photoemissionen 7, welche beim Scannen entlang der Scanstrecke 10 von der Oberfläche 6a emittiert werden. Ferner ist ein Bestimmen S3' eines Verlaufs einer Oberflächentemperatur Ts entlang der Scanstrecke 10 basierend auf den erfassten Photoemissionen vorgesehen. Damit erfolgt ein Berechnen S4' einer Abweichung der Oberflächentemperatur Ts von einer vorbestimmten Zieltemperatur TZ entlang der Scanstrecke 10. Ferner wird ein erneutes Scannen der Oberfläche 6a durchgeführt, wobei gleichzeitige ein dynamisches Anpassen einer Ausgangsleistung des Lasers 2 entlang der Scanstrecke 10 basierend auf der bestimmten Abweichung der Oberflächentemperatur Ts von der Zieltemperatur TZ durchgeführt wird.The method 1' shown comprises the step of scanning S1` a
Ferner kann noch der zusätzliche Schritt einer Kalibrierung vorgesehen sein, bei dem der Sensor 4' zur Erfassung der Photoemissionen 7 entlang der Scanstrecke 10 kalibriert wird.Furthermore, the additional step of calibration can be provided, in which the sensor 4' is calibrated to detect the
Das in
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere enthalten die oben beschriebenen Ausführungsformen vereinfachte optische System. So kann ein optisches Element zur Strahlabschwächung, beispielsweise in Form einer A/2-Platte in Kombination mit einem Polarisator vorgesehen sein. Weiterhin kann eine Fokussieroptik vorgesehen sein, die angesteuert werden kann, um die Strahldurchmesser zu variieren. Diese Fokussieroptik kann im Scanner integriert sein, und den Scanspiegeln vor- oder auch nachgelagert angeordnet sein. Obwohl in den obigen Ausführungsformen nur ein Laser erwähnt ist, gilt das obige Verfahren auch für Vorrichtungen mit mehreren gleichartigen oder auch unterschiedlichen Lasern, die für das Scannen verwendet werden. Weiterhin kann auch der Strahldurchmesser variiert werden, was beispielsweise durch die Ansteuerung einer Fokussieroptik im Scanner realisiert werden kann. Weiterhin kann auch die Scangeschwindigkeit bzw. eine Verweildauer des Laserstrahls variiert werden.Although the present invention has been fully described above using preferred embodiments, it is not limited thereto, but can be modified in many different ways. In particular, the embodiments described above contain simplified optical systems. For example, an optical element for beam attenuation can be provided, for example in the form of an A/2 plate in combination with a polarizer. Furthermore, a focusing optics can be provided that can be controlled to vary the beam diameter. This focusing optics can be integrated in the scanner and arranged upstream or downstream of the scanning mirrors. Although only one laser is mentioned in the above embodiments, the above method also applies to devices with several similar or different lasers that are used for scanning. Furthermore, the beam diameter can also be varied, which can be achieved, for example, by controlling a focusing optics in the scanner. Furthermore, the scanning speed or a dwell time of the laser beam can also be varied.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1, 1'1, 1'
- VorrichtungenDevices
- 22
- LaserLaser
- 33
- StrahlsteuerungseinrichtungBeam control device
- 4, 4`4, 4`
- SensorenSensors
- 55
- Laserstrahllaser beam
- 66
- BauteilComponent
- 6a6a
- Oberfläche des BauteilsSurface of the component
- 6b6b
- zu behandelnder Abschnitt des BauteilsSection of the component to be treated
- 6c6c
- unbehandelter Abschnitt des Bauteilsuntreated section of the component
- 77
- PhotoemissionenPhotoemissions
- 88th
- SteuerungseinrichtungControl device
- 99
- BasisplatteBase plate
- 1010
- ScanstreckeScanning path
- 1111
- ScanvektorScan vector
- 1212
- Beobachtungspunkt/Teilbereich der OberflächeObservation point/part of the surface
- 1313
- StrahldurchmesserBeam diameter
- 1414
- AuskopplungsoptikOutput optics
- 2020
- Diagramm zum TemperaturverlaufTemperature curve diagram
- 2121
- ZeitachseTimeline
- 2222
- TemperaturachseTemperature axis
- 2323
- AufheizphaseHeating phase
- 2424
- Mittlere OberflächentemperaturAverage surface temperature
- 3030
- Diagramm zum TemperaturverlaufTemperature curve diagram
- 3131
- ZeitachseTimeline
- 3232
- TemperaturachseTemperature axis
- PP
- Periode eines ScandurchlaufsPeriod of a scan run
- S1 - S5S1 - S5
- VerfahrensschritteProcess steps
- S1' - S5'S1' - S5'
- VerfahrensschritteProcess steps
- TAZ1TAZ1
- Obergrenze des ZieltemperaturanstiegsbereichsUpper limit of the target temperature rise range
- TAZ2TAZ2
- Untergrenze des ZieltemperaturanstiegsbereichsLower limit of the target temperature rise range
- TSTS
- erfasste Oberflächentemperaturrecorded surface temperature
- TS1TS1
- Maximum des periodischen TemperaturverlaufsMaximum of the periodic temperature curve
- TS2TS2
- Minimum Temperatur des periodischen TemperaturverlaufsMinimum temperature of the periodic temperature curve
- ΔTZΔTZ
- ZieltemperaturbereichTarget temperature range
- TZTZ
- ZieltemperaturTarget temperature
- TZ1TZ1
- Obergrenze des ZieltemperaturbereichsUpper limit of the target temperature range
- TZ2TZ2
- Untergrenze des ZieltemperaturbereichsLower limit of the target temperature range
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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R083 | Amendment of/additions to inventor(s) |