DE112019000498B4

DE112019000498B4 - Additives Fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE112019000498B4
Application number: DE112019000498.0T
Authority: DE
Inventors: Darren Beckett; Scott Betts; Martin Piltch; R. Bruce Madigan; Lars Jacquemetton; Glenn Wikle; Mark J. Cola; Vivek R. Dave; Alberto M. Castro; Roger Frye
Original assignee: Sigma Labs Inc
Current assignee: Sigma Additive Solutions Inc
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: CN112041148B; US20220324056A1; US20190255654A1; CN114643367A; WO2019165111A1; US20200290154A1; DE112019000498T5; US10639745B2; CN112041148A

Abstract

Additives Fertigungsverfahren, umfassend:Identifizieren spektraler Peaks, die Materialeigenschaften einer Pulvermenge zugeordnet sind;Auswählen einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge, wobei die ersten Wellenlänge und die zweite Wellenlänge versetzt zu den identifizierten spektralen Peaks gewählt sind;Erzeugen einer Mehrzahl von Scans (1510) einer Energiequelle (154) über eine Schicht der Pulvermenge, die auf einer Aufbauebene (1504, 2005) während eines additiven Fertigungsbetriebs angeordnet ist;Messen einer von der Aufbauebene (1504,2005) bei der ersten Wellenlänge abgestrahlten Energiemenge;Messen einer von der Aufbauebene (1504,2005) bei der zweiten Wellenlänge abgestrahlten Energiemenge;Bestimmen von Temperaturvariationen einer von der Mehrzahl von Scans (1510) überstrichenen Fläche der Aufbauebene (1504, 2005) basierend auf einem Verhältnis der bei der ersten Wellenlänge abgestrahlten Energie zu der bei der zweiten Wellenlänge abgestrahlten Energie;Bestimmen, dass die Temperaturvariationen außerhalb eines Grenzwertebereichs liegen; unddanach, Anpassen nachfolgender Scans (1510) der Energiequelle (154) über die oder nahe der Fläche der Aufbauebene (1504, 2005).

Description

Die Erfindung betrifft additive Fertigungsverfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zum Messen abgestrahlter thermischer Energie während der Ausführung einer additiven Fertigung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Additives Fertigen, oder der sequenzielle Zusammenbau oder die Konstruktion eines Teils durch die Kombination von Materialauftrag und beaufschlagen mit Energie, ist vielfältig und existiert momentan in vielen speziellen Implementierungen und Ausführungsformen. Additives Fertigen kann mittels vieler Verfahren ausgeführt werden, die die Bildung eines drei-dimensionalen Teils praktisch beliebiger Gestalt beinhalten. Die verschiedenen Verfahren haben das Sintern, Aushärten oder Schmelzen eines flüssigen, gepulverten oder granulären Rohmaterials Schicht für Schicht mit ultraviolettem Licht, Hochleistungslaser bzw. Elektronenstrahl gemeinsam. Leider sind eingeführte Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines derart hergestellten Teils begrenzt. Herkömmliche Qualitätssicherungstests umfassen im Allgemeinen Messungen mechanischer, geometrischer oder metallurgischer Eigenschaften des Teils nach dessen Herstellung, was häufig zur Zerstörung des Teils führt. Während zerstörendes Testen zur Validierung der Qualität eines Teils akzeptiert ist, da es eine eingehende Untersuchung diverses innerer Merkmale des Teils erlaubt, können solche Tests aus ersichtlichen Gründen nicht mit Produktionsteilen durchgeführt werden. Folglich sind Wege der nicht-zerstörenden und genauen Verifizierung der mechanischen, geometrischen und metallurgischen Eigenschaften eines durch additive Fertigung hergestellten Produktionsteils wünschenswert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen additives Fertigen, welches den Einsatz einer Energiequelle in Form einer sich bewegenden Region intensiver thermischer Energie umfasst. Wenn diese thermische Energie das physikalische Schmelzen des aufgetragenen Materials bewirkt, sind solche Verfahren als Schweißverfahren bekannt. Bei Schweißverfahren wird das Material, welches inkrementell und sequenziell zugefügt wird, durch die Energiequelle in ähnlicher Weise geschmolzen wie bei einer Verbindungsschweißnaht. Beispielhafte Schweißverfahren, die zur Anwendung bei den beschriebenen Ausführungsformen geeignet sind, umfassen Verfahren, die eine gescannte Energiequelle mit Pulverbett verwenden, und drahtzuführende Verfahren, die einen Lichtbogen, einen Laser oder einen Elektronenstrahl als die Energiequelle verwenden.
Wenn das zugefügte Material Pulverschichten sind, schmilzt die scannende Energiequelle, nachdem jede inkrementelle Schicht des sequenziell zugeführten Pulvermaterials hinzugefügt wurde, durch bereichsweises Schmelzen der zugefügten Pulverschicht und Erzeugen eines sich bewegenden geschmolzenen Bereichs, der nachfolgend als Schmelzpool bezeichnet wird, so dass sie nach Verfestigen ein Teil der zuvor sequenziell zugefügten und geschmolzenen und verfestigten Schichten unter der neuen Schicht werden und das herzustellende Bauteil bilden. Weil additive Bearbeitungsverfahren langwierig sein und eine beliebige Anzahl von Durchgängen des Schmelzpools beinhalten können, kann es schwierig sein, zumindest geringe Variationen der Größe und Temperatur des Schmelzpools zu vermeiden, während der Schmelzpool dazu verwendet wird, das Bauteil zu verfestigen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen verringern oder Minimieren durch Variationen der Größe und Temperatur des Schmelzpools verursachte Ungleichförmigkeiten. Man beachte, dass additive Fertigungsverfahren wegen der schnellen Bewegung des Heizelements und der für die Bildung von drei-dimensionalen Strukturen erforderlichen komplizierten Muster durch einen oder mehrere mit einer CNC (Computer Numerical Control)-Steuerung verbundene Prozessoren ausgeführt werden können.
Ein übergeordnetes Ziel der beschriebenen Ausführungsformen ist die Anwendung von optischen Erfassungstechniken, beispielsweise Qualitätsinferenz, Prozesssteuerung, oder beides, auf additive Fertigungsverfahren. Optische Sensoren können verwendet werden, um die Entwicklung physikalischer Phänomene während des Prozesses nachzuverfolgen, durch Nachverfolgen der Entwicklung der mit ihnen verknüpften physikalischen Größen während des Prozesses. Hierbei kann „optisch“ den Bereich des elektromagnetischen Spektrums beinhalten, der Nah-Infrarot (IR), sichtbares Licht, sowie Nah-Ultraviolett (UV) beinhaltet. Allgemein reichen die Wellenlängen des sichtbaren Spektrums von 380 nm bis 780 nm. Jedoch können Nah-UV und IR, nach Wellenlängen, bis hinunter zu 1 nm bzw. bis hinauf zu 3000 nm reichen. Von optischen Sensoren erhaltene Sensorausgaben können eingesetzt werden, um während des Prozesses Qualitätsmaßzahlen (IPQMs, „inprocess quality metrics“) zu bestimmen. Eine solcher IPQM ist die thermische Energiedichte (TED, „thermal energy density“), welche hilfreich ist zur Kennzeichnung der Menge an Energie, die verschiedenen Bereichen des Bauteils zugeführt wurde.
TED ist eine Maßzahl, die auf nutzerdefinierte Laser-Pulverbettschmelzprozessparameter anspricht, wie zum Beispiel Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Hatch-Abstand etc. Diese Maßzahl kann dann zur Analyse mittels IPQM-Vergleich zu einem Referenzdatensatz verwendet werden. Die resultierende IPQM kann für jeden Scan berechnet und als Graph oder in drei Dimensionen mittels einer Punktwolke dargestellt werden. Außerdem können IPQM-Vergleiche zum Referenzdatensatz, die auf Herstellungsfehler hinweisen, erzeugt werden, um Steuersignale für Prozessparameter zu generieren. In einigen Ausführungsformen, bei denen eine detaillierte thermische Analyse erwünscht ist, kann die thermische Energiedichte für bestimmte Teile jedes Scans bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen können die thermische-Energie-Daten von mehreren Scans in verschiedene Gitterbereiche eines Gitters unterteilt werden, was ermöglicht, dass, für eine Schicht oder eine vorbestimmte Anzahl von Schichten, jeder Gitterbereich die gesamte auf diesen Gitterbereich entfallende Energiemenge wiedergibt.
Aus US 9 533 375 B2 ist ein Verfahren des additiven Fertigens bekannt, welches eine optische Erfassungstechnik verwendet, um die Temperatur an einer Aufbauebene zu bestimmen, indem Strahlungsintensitäten bei zwei verschiedenen Wellenlängen gemessen werden und aus den gemessenen Strahlungsintensitäten unter Annahme der Schwarzkörperstrahlung die Temperatur bestimmt wird.
Aus US 2016 / 0 347 005 A1 ist ein Verfahren des additiven Fertigens bekannt, welches eine optische Erfassungstechnik verwendet, um die Temperatur an einer Aufbauebene zu bestimmen, indem Strahlungsintensitäten bei zwei verschiedenen Wellenlängen gemessen werden welches Fluoreszenzwellenlängen einer Substanz sind, die der Aufbauebene zugefügt wurde. Aus den gemessenen Fluoreszenzintensitäten kann die Temperatur aufgrund unterschiedlicher Temperaturabhängigkeiten der beiden Fluoreszenzintensitäten bestimmt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein additives Fertigungsverfahren anzugeben, mit welchem Temperaturen oder Temperaturvariationen in der Aufbauebene mit höherer Genauigkeit bestimmbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung von additiven Fertigungsverfahren mit den Merkmalen der beigefügten unabhängigen Ansprüche 1, 10 und 15. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes additives Fertigungsverfahren umfasst: Identifizieren spektraler Peaks, die einer Pulvermenge zugeordnet sind; Auswählen einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge, wobei die ersten Wellenlänge und die zweite Wellenlänge versetzt zu den identifizierten spektralen Peaks gewählt sind; Erzeugen einer Mehrzahl von Scans einer Energiequelle über eine Schicht der Pulvermenge, die auf einer Aufbauebene während eines additiven Fertigungsbetriebs angeordnet ist; Messen einer von der Aufbauebene bei der ersten Wellenlänge abgestrahlten Energiemenge; Messen einer von der Aufbauebene bei der zweiten Wellenlänge abgestrahlten Energiemenge; Bestimmen von Temperaturvariationen einer von der Mehrzahl von Scans überstrichenen Fläche der Aufbauebene basierend auf einem Verhältnis der bei der ersten Wellenlänge abgestrahlten Energie zu der bei der zweiten Wellenlänge abgestrahlten Energie; Bestimmen, dass die Temperaturvariationen außerhalb eines Grenzwertebereichs liegen; und danach, Anpassen nachfolgender Scans der Energiequelle über die oder nahe der Fläche der Aufbauebene.
Ein weiteres erfindungsgemäßes additives Fertigungsverfahren umfasst: Identifizieren spektraler Peaks, die einer Pulvermenge zugeordnet sind; Auswählen einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge versetzt zu den identifizierten spektralen Peaks gewählt sind; Erzeugen einer Mehrzahl von Scans einer Energiequelle über eine Schicht der Pulvermenge auf einer Aufbauebene; Erzeugen von Sensorwerten während jeder der Mehrzahl von Scans unter Verwendung eines optischen Erfassungssystems, das die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge überwacht; Bestimmen von Temperaturvariationen in der Aufbauebene während der Mehrzahl von Scans unter Verwendung eines Verhältnisses der bei der ersten Wellenlänge gesammelten Sensorwerte zu den bei der zweiten Wellenlänge gesammelten Sensorwerten; Bestimmen, ob die Temperaturvariationen außerhalb eines Grenzwertebereichs liegen; und danach, Anpassen einer Ausgabe der Energiequelle.
Ein weiteres erfindungsgemäßes additives Fertigungsverfahren umfasst: Identifizieren spektraler Peaks, die einer Pulvermenge zugeordnet sind; Auswählen einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge versetzt zu den identifizierten spektralen Peaks gewählt sind; Erzeugen einer Mehrzahl von Scans einer Energiequelle über eine Pulverschicht auf einer Aufbauebene; Erzeugen von Sensorwerten während jedes der Mehrzahl von Scans unter Verwendung eines optischen Erfassungssystems, das die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge während der Mehrzahl von Scans überwacht; für jeden der Mehrzahl von Scans, Zuordnen von Teilen der Sensorwerte zu einem bestimmten Bereich einer Mehrzahl von Bereichen der Aufbauebene; für jeden der mehreren Bereiche: Charakterisieren von Temperaturvariationen innerhalb des Bereichs basierend auf einen Verhältnis der bei der ersten Wellenlänge gewonnenen Sensorwerte zu den bei der zweiten Wellenlänge gewonnenen Sensorwerten; Bestimmen, dass die Temperaturvariationen, die einer oder mehreren Bereichen zugeordnet sind, außerhalb eines Grenzwertebereichs liegen; und danach, Anpassen einer Ausgabe der Energiequelle.
Figurenliste
Die Offenbarung wird leicht durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Begleitenden Zeichnungen verstanden werden, worin gleiche Bezugszeichen ähnliche Strukturelemente bezeichnen, und worin:

1A eine schematische Darstellung einer optischen Erfassungsvorrichtung zur Verwendung in einem additiven Fertigungssystem mit einer Energiequelle ist, die in diesem speziellen Fall als Laserstrahl angenommen wird;
1B eine schematische Illustration einer optischen Erfassungsvorrichtung zur Verwendung in einem additiven Fertigungssystem mit einer Energiequelle ist, die in diesem speziellen Fall als Elektronenstrahl angenommen wird;
2 Probenscan-Muster zeigt, die in additiven Fertigungsverfahren verwendet werden;
3 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Verfahren zum Identifizieren desjenigen Bereichs des Teils zeigt, der am wahrscheinlichsten Fertigungsfehler enthält;
4A bis 4H die Daten zeigen, die mit dem Schritt-für-Schritt-Verfahren verknüpft sind, um denjenigen Bereich des Teils zu identifizieren, der am wahrscheinlichsten einen Fertigungsfehler enthält, unter Verwendung der thermischen Energiedichte;
5 ein Flussdiagramm zeigt, das im Detail angibt, wie Scanletdaten-Aufteilung eingesetzt wird, um ein IPQM-Assessment zu vervollständigen;
6A bis 6F die Daten zeigen, die mit dem Schritt-für-Schritt-Verfahren verknüpft sind, um denjenigen Bereich des Teils zu identifizieren, der am wahrscheinlichsten einen Fertigungsfehler enthält, unter Verwendung der thermischen Energiedichte; und
7A bis 7C Testergebnisse zeigt, die IPQM-Maßzahlen mit post-process-Metallographie vergleichen;
8 ein alternatives Verfahren zeigt, bei welchem von einem optischen Sensor, wie einem nicht-abbildenden Fotodetektor, aufgezeichnete Daten verarbeitet werden können, um ein additives Fertigungsverfahren zu charakterisieren;
9A bis 9D visuelle Abbildungen zeigen, die angeben, wie mehrfache Scans zur Leistung beitragen können, die auf individuelle Gitterbereiche einwirken;
10A eine beispielhafte Turbinenschaufel zeigt, die zur Verwendung mit den beschriebenen Ausführungsformen geeignet ist;
10B eine beispielhafte Fertigungsanordnung zeigt, bei der 25 Turbinenschaufeln gleichzeitig auf einer Aufbauebene 1006 hergestellt werden können;
10C und 10D verschiedene Querschnittsansichten von verschiedenen Schichten der in 10B gezeigten Konfiguration zeigen;
11A und 11B Querschnittsansichten von Basisabschnitten von zwei verschiedenen Turbinenschaufeln zeigen;
11C ein Bild zeigt, das den Unterschied in der Oberflächen-Konsistenz zwischen zwei verschiedenen Basisabschnitten zeigt;
12 die thermische Energiedichte für Teile illustriert, die mit mehrmaligem verschiedenem Aufbauen verknüpft sind;
13 bis 14B ein Beispiel illustriert, wie die thermische Energiedichte dazu eingesetzt werden kann, mittels in-situ-Messungen den Betrieb eines Teils zu steuern;
14C einen weiteren Leistungsdichte-Graphen zeigt, der diverse physikalische Effekte hervorhebt, die daraus resultieren, dass die Energiedichte-Einstellungen zu weit außerhalb eines Verfahrens-Fensters fallen;
14D zeigt, wie Größe und Gestalt des Schmelzpools je nach Laserleistung und Scangeschwindigkeits-Einstellungen variieren können;
15A bis 15F illustrieren, wie ein Gitter dynamisch erzeugt werden kann, um ein additives Fertigungsverfahren zu charakterisieren und zu steuern;
16 eine beispielhafte Steuerschleife 1600 zeigt, zum Einrichten und Aufrechterhalten der Regelung eines additiven Fertigungsverfahrens;
17A eine normale Verteilung von Pulver über eine Aufbauplatte zeigt;
17B zeigt, wie die Dicke einer resultierenden Pulverschicht variieren kann, wenn eine ungenügende Menge an Pulver herbeigeführt und durch einen Recoater-Arm auf der Aufbauplatte verteilt wird;
17C ein Schwarz-Weiß-Foto einer Aufbauplatte zeigt, bei der verknappte Pulverzufuhr zu nur teilweiser Bedeckung von neun auf einer Aufbauplatte angeordneten Werkstücken führte;
17D zeigt, wie, wenn eine Energiequelle mit denselben Einstellparametern über alle neun Werkstücke scannt, die erfasste thermische Energiedichte wesentlich verschieden ist;
18A zeigt einen beispielhaften Graphen, der von einem Spektrometer aufgenommene Sensorwerte darstellt;
18B einen beispielhaften Graphen zeigt, der wenigstens einen Teil von Sensorwerten darstellt, die von dem Spektrometer aufgenommen wurden, nachdem ein Bandpassfilter an dem Spektrometer angeordnet wurde;
19A einen Graphen zeigt, der einige Schwarzkörper-Strahlungskurven, welche für verschieden Schmelzpooltemperaturen von 3.500 K bis 5.500 K repräsentativ sind;
19B einen Graphen zeigt und wie eine prozentuale Änderung der Leistungsausgabe den natürlichen Logarithmus des Verhältnisses der bei zwei disktreten Wellenlängen erfassten Intensitäten beeinflusst;
20A ein beispielhaftes additives Fertigungssystem zeigt, das mit drei optischen Sensoren ausgestattet ist, um Temperaturvariationen und ein Menge an einer Aufbauebene hinzugefügter Energie zu charakterisieren, wie dies vorangehend in Bezug auf die 18A bis 19B beschrieben wurde.
20B eine der 20A ähnliche Konfiguration zeigt, mit dem Unterschied, dass dessen Sensoranordnung an der Optik eines Lasers durch eine optische Faser angebracht werden kann;
21 ein Blockdiagramm zeigt, das ein Verfahren zum Messen optischer Emissionen während eines additiven Herstellungsprozesses zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1A zeigt eine Ausführungsform eines additiven Fertigungssystems, das ein oder mehrere optische Sensorvorrichtungen zum Bestimmen der thermischen Energiedichte aufweist. Die thermische Energiedichte spricht auf Veränderungen der Prozessparameter an, wie zum Beispiel die Energiequellenleistung, Energiequellengeschwindigkeit und den Hatch-Abstand. Das additive Fertigungssystem von 1A verwendet einen Laser 100 als Energiequelle. Der Laser 100 emittiert einen Laserstrahl 101, welcher durch einen teilweise reflektierenden Spiegel 102 und in ein Scan- und Fokussiersystem 103 tritt, welches den Strahl dann auf einen kleinen Bereich 104 auf der Arbeits-Plattform 105 projiziert. In einigen Ausführungsformen ist die Arbeits-Plattform ein Pulverbett. Aufgrund der hohen Materialtemperaturen wird von dem kleinen Bereich 104 optische Energie 106 abgestrahlt.
In einigen Ausführungsformen kann das Scan- und Fokussiersystem 103 dazu ausgebildet sein, etwas von der von dem Strahl-Wechselwirkungsbereich 104 abgestrahlten optischen Energie 106 aufzufangen. Der teilweise reflektierende Spiegel 102 kann die optische Energie 106 reflektieren, wie durch das optische Signal 107 dargestellt. Das optische Signal 107 kann durch mehrere optische on-axis-Sensoren 109 abgefragt werden, die durch eine Reihe von zusätzlichen teilweise reflektierenden Spiegeln 108 jeder einen Teil des optischen Signals 107 empfangen. Man beachte, dass das additive Fertigungssystem in einigen Ausführungsformen lediglich einen optischen on-axis-Sensor 109 mit einem totalreflektierenden Spiegel 108 aufweisen kann.
Man beachte, dass das aufgenommene optische Signal 107 nicht denselben spektralen Gehalt wie die von dem Strahl-Wechselwirkungsbereich 104 emittierte optische Energie 106 zu haben braucht, weil das Signal 107 einer gewissen Dämpfung unterliegt, nach dem Durchgang durch mehrere optische Elemente wie dem teilweise reflektierende Spiegel 102, dem Scan- und Fokussiersystem 103 und der Reihe von zusätzlichen teilweise reflektierenden Spiegeln 108. Diese optischen Elemente können jedes ihre eigenen Transmissions- und Absorptionscharakteristiken aufweisen, was zu variierenden Dämpfungsgraden führt, die gewissen Teile des Spektrums der Energie beschränken, die von dem Strahl-Wechselwirkungsbereich 104 abgestrahlt wird. Die von den optischen on-axis-Sensoren 109 erfassten Daten können einer Energiemenge entsprechen, die der Arbeits-Plattform zugeführt wird.
Beispiele von optischen on-axis-Sensoren 109 umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, fotoelektrische Signalwandler (d. h. Fotodetektoren) wie Pyrometer und Fotodioden. Die optischen Sensoren können auch Spektrometer und Zeitrafferkameras oder Zeitlupenkameras umfassen, die im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Frequenzspektrum arbeiten. Die optischen on-axis-Sensoren 109 sind in einem Bezugsrahmen , der sich mit dem Strahl bewegt, d. h. sie erfassen alle Bereiche die vom Laserstrahl berührt werden und sind dazu ausgebildet, optische Signale 107 von allen Bereichen der Arbeitsplattform 105 zu erfassen, die beim Scannen des Laserstrahls 101 über die Arbeitsplattform 105 berührt werden. Weil die vom Scan- und Fokussiersystem 103 aufgezeichnete optische Energie 106 einem Pfad folgt, der nahezu parallel zum Laserstrahl ist, können die Sensoren 109 als on-axis-Sensoren angesehen werden.
In einigen Ausführungsformen kann das additive Fertigungssystem off-axis-Sensoren 110 aufweisen, die in einem stationären Bezugsrahmen in Bezug auf den Laserstrahl 101 angeordnet sind. Diese off-axis-Sensoren 110 werden ein Bildfeld 111 aufweisen, das sehr schmal sein kann, oder das die gesamte Arbeitsplattform 105 umfassen kann. Beispiele für diese Sensoren können beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Pyrometer, Fotodioden, Spektrometer, Zeitrafferkameras oder Zeitlupenkameras, die im sichtbaren, ultravioletten oder IR-Spektralbereich arbeiten etc. Off-axis-Sensoren 110, die nicht mit der Energiequelle ausgerichtet sind, werden als off-axis-Sensoren angesehen. Off-axis-Sensoren 110 können auch Sensoren sein, die eine Reihe von physikalischen Messmodalitäten kombinieren, wie ein Laser-Ultraschall-Sensor, der aktiv mit einem Laserstrahl eine Ablagerung anregt oder „anstößt“ und dann ein Laserinterferometer einsetzt, um die erzeugten Ultraschallwellen oder das „Echo“ der Struktur erfasst, um mechanische Eigenschaften oder die mechanische Integrität de Ablagerung während ihres Aufbaues zu messen oder vorherzusagen. Das Laser-Ultraschall-Sensor/Interferometersystem kann eingesetzt werden, um die elastischen Eigenschaften des Materials zu messen, die zum Beispiel Aufschluss geben über die Porosität des Materials und andere Materialeigenschaften. Zusätzlich kann die Ausbildung von Defekten, die sich in Materialvibrationen äußert, mittels des Laser-Ultraschall/Sensor-Interferometersystem gemessen werden.
Zusätzlich könnten Kontaktsensoren 113 an der mechanischen Vorrichtung, dem Recoater-Arm 112, welcher die Pulver verteilt, vorhanden sein. Diese Sensoren könnten Akzelerometer, Vibrationssensoren etc. sein. Schließlich könnten andere Arten von Sensoren 114 vorhanden sein. Diese könnten Kontaktsensoren wie Thermoelemente umfassen, um thermische Makrofelder zu messen, oder könnten akustische Emissionssensoren umfassen, welche Reißen und andere metallurgische Phänomene, die beim Aufbauen der Ablagerung auftreten, erfassen. Diese Kontaktsensoren können eingesetzt werden, um während des Pulverzufuhrprozesses den Betrieb des Recoater-Arms 112 zu kennzeichnen. Daten, die von den optischen on-axis-Sensoren 109 und den off-axis-Sensoren 110 aufgenommen werden, können verwendet werden, um Prozessparameter zu erfassen, die mit dem Recoater-Arm 112 verknüpft sind. Demzufolge können Ungleichförmigkeiten der Oberfläche des verteilten Pulvers von dem System erfasst und berücksichtigt werden. Raue Oberflächen, die aus Schwankungen des Pulververteilungsprozesses resultieren, können durch Kontaktsensoren 113 erfasst werden, um mögliche Problemzonen oder Ungleichförmigkeiten des erzeugten Teils vorherzusagen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Peak in dem verteilten Pulver durch den Laserstrahl 101 verschmolzen werden, was dazu führt, dass die nachfolgende Pulverschicht einen entsprechenden Peak aufweist. An einem gewissen Punkt könnte der Peak den Recoater-Arm 112 berühren, möglicherweise den Recoater-Arm 112 beschädigen und zu weiterer Ungleichförmigkeit des verteilten Pulvers führen. Demzufolge können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Ungleichförmigkeiten in dem verteilten Pulver erfassen, bevor sie zu Ungleichförmigkeiten in der Aufbaufläche der Arbeitsplattform 105 führen. Der Fachmann wird viele Variationen, Modifikationen und Alternativen erkennen.
In einigen Ausführungsformen können die optischen on-axis-Sensoren 109, off-axis-Sensoren 110, Kontaktsensoren 113 und anderen Sensoren 114 dazu ausgebildet sein, in-process-Sensor-Rohdaten zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen können die optischen on-axis-Sensoren 109, optischen off-axis-Sensoren 110, Kontaktsensoren 113 und anderen Sensoren 114 dazu ausgebildet sein, die Daten zu verarbeiten und reduced-order-Sensordaten zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen sind ein Computer 116, einschließlich eines Prozessors 118, ein Computer-lesbares Medium 120 und/oder eine I/O-Schnittstelle 122 bereitgestellt und mit geeigneten Systemkomponenten des additiven Fertigungssystems verbunden, um Daten von den diversen Sensoren zu erhalten. Die vom Computer 116 empfangenen Daten können in-process-Sensor-Rohdaten und/oder reduced-order-Sensordaten umfassen. Der Prozessor 118 kann in-process-Sensor-Rohdaten und/oder reduced-order-Sensordaten verwenden, um die Leistung des Lasers 100 und Steuerinformationen, einschließlich Koordinaten in Bezug auf die Arbeitsplattform 105 zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen können der Computer 116, einschließlich des Prozessors 118, des Computer-lesbaren Mediums 120 und der I/O-Schnittstelle 122 die Steuerung der diversen Systemkomponenten erlauben. Der Computer 116 kann Steuerinformation senden, empfangen und überwachen, die mit dem Laser 100, der Arbeitsplattform 105 und dem Recoater-Arm 112 verknüpft ist, um die jeweiligen Prozessparameter für jede Komponente zu steuern und anzupassen.
Der Prozessor 118 kann dazu verwendet werden, unter Verwendung der von den diversen Sensoren erfassten Daten Berechnungen auszuführen, um ein in-process-Qualitäts-Maßzahl zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen können von den optischen on-axis-Sensoren 109 und/oder den off-axis-Sensoren 110 erzeugte Daten dazu verwendet werden, die thermische Energiedichte während des Aufbauprozesses zu bestimmen. Steuerinformation, die mit der Bewegung der Energiequelle über die Aufbauebene verknüpft ist, kann von dem Prozessor empfangen werden. Der Prozessor kann die Steuerinformation dann einsetzen, um Daten von optischen on-axis-Sensor(en) 109 und/oder optischen off-axis-Sensor(en) 110 mit einer entsprechenden Position zu korrelieren. Diese korrelierten Daten können dann kombiniert werden, um die thermische Energiedichte zu berechnen. In einigen Ausführungsformen kann die thermische Energiedichte und/oder andere Maßzahlen von dem Prozessor 118 verwendet werden, um Steuersignale für Prozessparameter zu erzeugen, zum Beispiel Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Hatch-Abstand und andere Prozessparameter, in Abhängigkeit davon, ob die thermische Energiedichte oder andere Maßzahl außerhalb gewünschter Bereiche fällt. Auf diese Weise kann ein Problem, das andernfalls ein Produktionsteil ruinieren könnte, gemildert werden. In solchen Ausführungsformen, bei denen mehrere Teile gleichzeitig gefertigt werden, können sofortige Korrekturen an den Prozessparametern in Abhängigkeit davon, ob Maßzahlen außerhalb gewünschter Bereiche fallen, benachbarte Bereiche davor bewahren, zu viel oder zu wenig Energie von der Energiequelle zu erhalten.
In einigen Ausführungsformen kann die I/O-Schnittstelle 122 dazu ausgebildet sein, erfasste Daten an eine entfernte Position zu übertragen. Die I/O-Schnittstelle kann dazu ausgebildet sein, Daten von einer entfernten Position zu empfangen. Die empfangenen Daten können Referenzdatensätze, historische Daten, post-process-Inspektionsdaten und Klassifizierdaten umfassen. Das entfernt angeordnete Computersystem kann in-process-Qualitätsmaßzahlen unter Verwendung der von dem additiven Fertigungssystem übertragenen Daten berechnen. Das entfernt angeordnete Computersystem kann Informationen an die I/O-Schnittstelle 122 übertragen, in Abhängigkeit von gewissen in-process-Qualitätsmaßzahlen.
In dem Fall eines Elektronenstrahlsystems zeigt 1B mögliche Konfigurationen und Anordnungen von Sensoren. Die Elektronenstrahlkanone 150 erzeugt einen Elektronenstrahl 151, der durch das elektromagnetische Fokussiersystem 152 fokussiert und dann durch das elektromagnetische Ablenkungssystem 153 abgelenkt wird, was einen fein fokussierten und gezielten Elektronenstrahl 154 ergibt. Der Elektronenstrahl 154 erzeugt eine heiße Strahl-Material-Wechselwirkungszone 155 am Werkstück 156. Optische Energie 158 wird vom Werkstück 156 abgestrahlt, welche durch eine Reihe von optischen Sensoren 159 detektiert werden könnte, jeder mit seinem eigenen Bildfeld 160, welches wiederum lokal isoliert im Wechselwirkungsbereich 155 liegen könnte, oder aber das gesamte Werkstück 156 umfassen könnte. Zusätzlich könnten optische Sensoren 159 ihr eigenes Tracking- und Scansystem aufweisen, welches dem Elektronenstrahl 154 bei seiner Bewegung über das Werkstück 156 folgen könnte.
Unabhängig davon, ob die Sensoren 159 ein optisches Tracking erlauben, können die Sensoren 159 als Pyrometer, Fotodioden, Spektrometer und Zeitrafferkameras oder Zeitlupenkameras implementiert sein, die im sichtbaren, UV- oder IR-Spektralbereich arbeiten. Die Sensoren 159 könnten auch Sensoren sein, die eine Reihe von physikalischen Messmodalitäten kombinieren, wie ein Laser-Ultraschallsensor, welcher aktiv eine Ablagerung mit einem Laserstrahl „anstoßen“ könnte, und dann ein Laserinterferometer einsetzen könnte, um die sich daraus ergebenden Ultraschallwellen oder das „Echo“ der Struktur zu messen, um mechanische Eigenschaften oder die mechanische Integrität der Ablagerung während ihres Aufbauens zu messen oder vorherzusagen. Außerdem könnten Kontaktsensoren 113 am Recoater-Arm angeordnet sein. Diese Sensoren könnten Akzelerometer, Vibrationssensoren etc. sin. Schließlich könnten andere Arten von Sensoren 114 vorhanden sein. Dies könnten Kontaktsensoren sein, wie Thermoelemente, um thermische Makrofelder zu messen, oder akustische Emissionssensoren, die Reißen und andere metallurgische Phänomene erfassen, die in der Ablagerung während ihres Aufbauens auftreten können. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Thermoelemente verwendet werden, um Temperaturdaten zu kalibrieren, die von den Sensoren 159 aufgenommen wurden. Man beachte, dass die im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen Sensoren in der beschriebenen Art und Weise eingesetzt werden können, um die Leistungsfähigkeit jeglichen additiven Fertigungsverfahrens zu charakterisieren, das sequenziellen Materialaufbau beinhaltet.
2 illustriert mögliche Hatch-Muster zum Scannen einer Energiequelle über ein Pulverbett. In 200 wird ein Bereich des Werkstücks bearbeitet, indem die Energiequelle entlang langer Pfadlängen abwechselnder Richtung scannt. In dieser Ausführungsform ist der Hatch-Abstand 204 zwischen dem ersten Scan 208 und dem zweiten Scan 206 dargestellt. In 202 ist ein Bereich des Werkstücks in kleinere Felder 214 unterteilt, welche von dem ersten Scan 210 und dem zweiten Scan 212 nacheinander von links nach rechts und von oben nach unten gescannt werden können. In anderen Ausführungsformen ist die Reihenfolge der Scans über die einzelnen Felder randomisiert. Eine Vielzahl von Hatch-Muster kann in Verbindung mit dem hierin beschriebenen additiven Fertigungsverfahren angewendet werden. Der Fachmann wird zahlreiche Variationen, Modifikationen und Alternativen erkennen.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren 300 illustriert, das Daten verwendet, die von einem additive Fertigungsverfahren erzeugt wurden, um die thermische Energiedichte zu bestimmen, und Bereiche eines Teils zu identifizieren, die am wahrscheinlichsten Fertigungsdefekte enthalten. Von den optischen on-axis-Sensoren 109 und den optischen off-axis-Sensoren 110 erzeugte Daten können allein, oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um die thermische Energiedichte zu bestimmen. Bei 302 werden Fotodioden-Rohdaten empfangen. Die Fotodioden-Rohdaten können beispielsweise mittels Spannungsdaten erzeugt werden, die vom Sensor in Antwort auf erfasste abgestrahlte Wärmeenergie erzeugt werden. Bei 304 wird ein Bereich der Fotodioden-Daten identifiziert, der einem bestimmten Scan, scan_i, entspricht. In einigen Ausführungsformen können die individuellen Fotodioden-Rohdaten vom Rest der Sensorausgabe durch Bezugnahme auf Energiequellenbetriebssignaldaten (Betriebssignal, das für das Manövrieren und Aktivieren der Energiequelle zuständig ist) separiert werden. Bei 306, bestimme die Fläche unter der Fotodioden-Rohdatenkurve für scan_i, nachfolgend als pdon_i bezeichnet. In einigen Ausführungsformen kann pdoni die integrierte Fotodiodenspannung darstellen. In einigen Ausführungsformen kann pdoni die mittlere Fotodiodenspannung während scani darstellen. Bei 308, identifiziere den Bereich, p, der mit scani verknüpft ist. Der bei 308 identifizierte Bereich kann auch eine damit verknüpfte Fläche, A_p, aufweisen Diese beiden Werte können, wie oben beschrieben, durch Korrelieren von pdoni mit Energiequellen-Positionsdaten bestimmt werden. Das Verfahren kann bei 310 den Gesamt-Scan-Count berechnen. Bei 312 kann die mit scani verknüpfte Länge L_i bestimmt werden. L_i kann mittels der Gleichung (1) berechnet werden, worin x1i, y1i und x2i, y2i jeweilige Anfangs- bzw. Endpositionen für scani darstellen: $L_{i} = \sqrt{{(x 1_{i} - x 2_{i})}^{2} + {(y 1_{i} - y 2_{i})}^{2}}$
Bei 314 kann die Gesamtlänge aller zur Fertigung des Teils verwendeten Scans, Lsum_p, bestimmt werden. Lsum_p über das Teil kann durch Aufsummieren der Längen jedes mit dem Teil verknüpften Scans, L_i, bestimmt werden. Bei 316 kann die anteilige Fläche des Scans, Ai, bestimmt werden. Ai kann mittels der Gleichung (2) berechnet werden: $A_{i} = \frac{(A_{p} * L_{i})}{L s u m_{p}}$
Bei 316 kann die anteilige thermische Energiedichte (TED, thermal energy density) für den i-ten Scan, TED_i, bestimmt werden. TED_i ist ein Beispiel für einen Satz von reduced-order-Verfahrensmerkmalen. Die TED wird mittels Fotodioden-Rohdaten berechnet. Aus diesen Sensor-Rohdaten extrahiert die TED-Berechnung reduced-order-Verfahrensmerkmale. TED_i spricht auf alle nutzerdefinierten Laser-Pulverbettschmelzprozeßparameter an, zum Beispiel jene für Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Hatch-Abstand und viele weitere. TED_i kann mittels der Gleichung (3) berechnet werden: $T E D_{i} = \frac{p d o n_{i}}{A_{i}}$
Für die Zwecke dieser Diskussion bezieht sich „reduced order“ auf einen oder mehrere der folgenden Aspekte: Datenkompression, d. h. weniger Daten in den Merkmalen als in den Rohdaten; Datenreduktion, d. h. systematische Analyse der Rohdaten, welche Verfahrens-Maßzahlen oder andere Kennzahlen liefert; Datenaggregation, d. h. Clustern von Daten in diskrete Gruppen und einen kleineren Variablensatz, die die Cluster im Gegensatz zu den Rohdaten selbst kennzeichnen; Datentransformation, d. h. die mathematische Manipulation von Daten, um die Daten linear oder nicht-linear den Rohdaten zuzuordnen, und zwar in einem anderen Variablenraum mit niederer Dimensionalität, mittels eines Transformationsgesetzes oder -algorithmus; oder jedwede verwandte Technik, welche den Endeffekt der verringerten Datendichte, verringerten Datendimensionalität, verringerten Datensatzgröße, Transformation der Daten in einen verkleinerten Raum, oder all diese Effekte gleichzeitig erlangt.
TEDi kann für die Analyse der in-process-Qualitätsmaßzahl (IPQM, in process quality metric) im Vergleich zu einem Referenzdatensatz eingesetzt werden. Für jeden Scan kann eine sich ergebende IPQM berechnet werden. Bei 318 können der IPQM-Qualitäts-Referenzdatensatz und die berechnete TED verglichen werden. In denjenigen Bereichen des Teils, in denen der Unterschied zwischen der berechneten TED und dem Referenzdatensatz einen Schwellwert übersteigt, können diese Bereiche als möglicherweise einen oder mehrere Defekte enthaltend identifiziert werden, und/oder weiteres Bearbeiten des Bereichs kann echtzeitnah durchgeführt werden, um etwaige Defekte, die durch die Abweichung der TED vom Referenzdatensatz verursacht wurden, auszubessern. In einigen Ausführungsformen können diejenigen Bereiche des Teils, die Defekte enthalten könnten, mittels eines Classifiers identifiziert werden. Der Classifier ist dazu ausgebildet, die Ergebnisse entweder als nominell oder als anomal zu kennzeichnen, und könnte durch graphische und/oder text-basierte Medien dargestellt werden. Der Classifier könnte mehrfache Klassifikationsmethoden beinhalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: statistische Klassifikation, sowohl einzel- als auch multivariat; heuristisch basierte Klassifizierer; Expertensystem-basierte Klassifizierer; lookup-table-basierte Klassifizierer; Klassifizierer, die einfach auf oberen oder unteren Regelgrenzen basieren; Klassifizierer, welche im Zusammenhang mit einer oder mehreren statistischen Verteilungen arbeiten, welche nominelle gegenüber anomalen Werten abgrenzen können, auf der Grundlage von Konfidenzintervallen und/oder einer Berücksichtigung der Freiheitsgrade; oder jegliches andere Klassifikationsschema, ob implizit oder explizit, welches dazu geeignet ist, zu unterscheiden, ob ein Satz von Merkmalen nominell ist oder anomal. Für die Zwecke dieser Diskussion bedeutet „nominell“ einen Satz von Verfahrensergebnissen, welche innerhalb einer vorgegebenen Spezifikation liegen, welche zu post-process-gemessenen Attributen der solcherart gefertigten Teile führen, die innerhalb eines Regimes von Werten liegen, die als annehmbar angesehen werden; oder jegliche andere quantitative, semiquantitative, objektive oder subjektive Methodologie zum Etablieren einer „annehmbaren“ Komponente. Zusätzliche Beschreibung in Bezug auf die Klassifikation von IPQMs ist in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 15/282,822 , eingereicht am 30. September 2016 angegeben, deren Offenbarung hiermit durch Inbezugnahme vollumfänglich für alle Zwecke eingeschlossen wird.
Man beachte, dass die speziellen in 3 illustrierten Schritte ein besonderes Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitstellen, Daten zu sammeln und die thermische Energiedichte zu bestimmen. Andere Abfolgen der Schritte können, gemäß alternativer Ausführungsformen, ebenfalls ausgeführt werden. Darüber hinaus können die in 3 illustrierten Schritte mehrfache Teilschritte beinhalten, die in diversen Abfolgen, je nach den Erfordernissen des individuellen Schritts, ausgeführt werden können. Ferner können zusätzliche Schritte zugefügt werden, oder vorhandene Schritte können ausgelassen werden, je nach den besonderen Umständen der Anwendung. Der Fachmann wird viele Variationen, Modifikationen und Alternativen erkennen.
4A bis 4H illustrieren die in dem Verfahren 300 vollzogenen Schritte zur Bestimmung der TED und zum Identifizieren derjenigen Bereiche des Teils, die wahrscheinlich Defekte beinhalten. 4 A entspricht dem Schritt 302 und zeigt ein Fotodioden-Rohsignal 402 für eine gegebene Scanlänge. Die x-Achse 450 gibt die Zeit in Sekunden an, und die y-Achse 460 gibt die Spannung der Fotodiode an. In einigen Ausführungsformen könnten die optischen Messungen stattdessen, oder zusätzlich, mittels eines Pyrometers gemacht werden. Das Signal 402 ist die Fotodioden-Rohspannung. Der Anstieg 404 und das Abfallen 406 des Fotodiodensignals 402 kann klar gesehen werden, ebenso wie die Streuung und Variation 408 in dem Signal während der Zeit, in der der Laser eingeschaltet ist. Die Daten werden mit eine gegebenen Anzahl von Messungen pro Sekunde gesammelt. Die Variation 408 im Fotodiodensignal 402 kann durch Variationen im in dem Pulverbett aufgeschmolzenen Pulver verursacht sein. Beispielsweise kann eine der kleineren Senken des Fotodiodensignals 402 dadurch verursacht sein, dass Energie von einem größeren Partikel in den das Partikelbett bildenden Partikeln vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Im Allgemeinen kann die Anzahl von Datenpunkten in einem gegebenen Segment des Fotodiodensignals zwischen Anstiegs- und Abfallereignissen der Scandauer und der Abtastrate zugeordnet werden.
4B zeigt ein Fotodioden-Rohsignal 402 und ein Laser-Betriebssignal 410. Das in 4B dargestellte Laser-Betriebssignal 410 kann mittels Energiequellenbetriebssignaldaten erzeugt werden, in diesem Fall, dem Laser-Betriebssignal 410, oder aus einem Kommandosignal, welches den Laser für eine bestimmte Scanlänge an- und abschaltet. Das Fotodiodensignal 402 ist dem Laser-Betriebssignal 410 überlagert. Der Anstieg 412 und Abfall 414 des Laser-Betriebssignals 410 entspricht dem Anstieg 404 und Abfall 406 des Fotodiodensignals 402. Die in 4B illustrierten Daten können verwendet werden, um bei Schritt 304 einen Bereich des Fotodioden-Rohsignals 402 zu identifizieren, der einem Scan entspricht. In einigen Ausführungsformen ist das Laser-Betriebssignal 410 ~0 V wenn der Laser ausgeschaltet ist, und ~5 V wenn der Laser eingeschaltet ist. Schritt 304 kann dadurch implementiert werden, dass alle Daten, die mit dem Fotodiodensignal verknüpft sind, bei dem das Laser-Betriebssignal 410 oberhalb einer gewissen Schwelle, beispielsweise 4,5 V, liegt, isoliert werden, und alle Daten von der Analyse ausgeschlossen werden, bei denen der Laser unterhalb dieser Schwelle liegt.
4C zeigt eine Ausführungsform von Schritt 306, welche das Bestimmen der Fläche 416 unter dem Fotodioden-Rohsignal 402 beinhaltet. In einigen Ausführungsformen kann die Fläche unter der Kurve mittels der Gleichung (4) berechnet werden: $p d o n_{i} = \int_{r i s e}^{f a l l} V (t) d t$
Die integrierte Fotodiodenspannung 418 kann zur Bestimmung von pdoni für die TED-Berechnung verwendet werden.
4D zeigt die Position des Scans 420 relativ zum Teil, und den gesamten Scan-Count 424. Beide Werte können verwendet werden, um eine TED zu bestimmen, die der Scan-Position auf dem Teil entspricht. 4E zeigt die gerenderte Fläche für das interessierende Teil 426. 4E zeigt auch mehrere zusätzliche Teile 428 und einen Merk-Coupon 430. Alle in 4E gezeigten Teile sind auf einem Pulverbett 432 angeordnet.
4F zeigt eine mit einem Bereich der Fotodiodendaten und den Laserbetriebssignaldaten, die vier Scans entsprechen, verknüpfte Ausgabe, die dazu verwendet werden kann, mit dem Rest der Fotodiodendaten den Gesamt-Sample-Count 434 zu bestimmen. Der Gesamt-Sample-Count kann dazu verwendet werden, die Gesamt-Scanlänge über das Teil, LSum_p, zu bestimmen. Der Gesamt-Sample-Count wird durch Summieren der Laser-Anschalt-Perioden 436 bestimmt. In einigen Ausführungsformen kann die Gesamt-Scan-Länge mittels der Summe der Laser-Anschalt-Periodendauern und der Durchschnittsgeschwindigkeit der scannenden Energiequellen während der Laser-an-Perioden bestimmt.
Nach dem Aufnehmen der Scandaten kann die TED für jede Schicht aus den mit jedem Laser-Scan verknüpften TEDs bestimmt und dann in einem Graph 440 dargestellt werden, wie in 4G gezeigt. Der Graph 440 illustriert TED-Werte, die innerhalb des nominellen Bereichs 442 liegen, und solche, die in dem anomalen Bereich 444 liegen. Die TED-Bereiche sind durch einen Referenz-Schwellwert 438 getrennt. Auf diese Weise sind Schichten des Teils, die wahrscheinlich Defekte enthalten, leicht identifizierbar. Weitere Analyse könnte sich dann auf solche Schichten fokussieren, die anomale TED-Werte aufweisen.
4H zeigt, wie TED-Werte für jeden Scan in drei Dimensionen mittels einer Punktwolke 446 dargestellt werden können. Die Punktwolke 446 illustriert die Position im drei-dimensionalen Raum der TED-Werte aus dem nominellen Bereich 442 und dem anomalen Bereich 444 durch Darstellen der anomalen Werte in einer anderen Farbe oder Intensität, als die nominellen Werte. Anomale Werte zeigen Bereiche des Teils an, die am wahrscheinlichsten Fertigungsdefekte, wie Porosität durch Loch-Bildung oder Hohlräume durch mangelndes Schmelzen, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das System ein Steuersignal erzeugen und übermitteln, dass einen oder mehrere Prozessparameter auf der Grundlage der TED ändert.
5 zeigt ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess 500 illustriert, der Daten verwendet, die von einem additiven Fertigungssystem erzeugt werden, um eine thermische Energiedichte zu bestimmen und diejenigen Bereiche eines Teils zu identifizieren, die am wahrscheinlichsten Fertigungsdefekte beinhalten. Die von den optischen on-axis-Sensoren 109 und den optischen off-axis-Sensoren 110 erzeugten Daten können allein oder in Kombination dazu verwendet werden, die thermische Energiedichte zu bestimmen. Bei 502 können Fotodioden-Zeitreihendaten gesammelt werden. Die Fotodioden-Zeitreihendaten können beispielsweise mittels Spannungsdaten erzeugt werden, die mit den Sensoren verknüpft sind. Bei 504 werden Laser-Betriebs-Zeitreihendaten aufgezeichnet. Die Laser-Betriebs-Zeitreihendaten können mit zusätzlichen Prozessparametern wie Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Hatch-Abstand, x-y-Position etc. verknüpft werden. Das Verfahren kann die Fotodioden-Zeitreihendaten bei 506 durch Auslassen von solchen Bereichen der Fotodioden-Zeitreihendaten aufspalten, die solchen Bereichen der Laser-Betriebs-Zeitreihendaten entsprechen, die einen Laseraus-Zustand anzeigen. In einigen Ausführungsformen ist das Laser-Betriebssignal ~0 V wenn der Laser ausgeschaltet ist und ~5 V wenn der Laser eingeschaltet ist. Das Verfahren kann bei 506 alle Daten isolieren, wenn das Laser-Betriebssignal oberhalb eines gewissen Schwellwerts liegt, zum Beispiel 4,5 V, und alle Daten von der Analyse ausschließen, bei denen der Laser unterhalb dieser Schwelle liegt. In einigen Ausführungsformen kann das Fotodiodensignal, das periodisch auf -0,2 V abfällt, in die Probenreihendaten aufgenommen werden, weil dies die Zeiten sind, zu denen der Laser gerade angestellt wird und der Laser das Material aufheizt.
Das Verfahren gibt bei 506 nur die Laser-an-Fotodiodendaten 508 aus. Die Laser-an-Fotodiodendaten können von dem Verfahren bei 510 verwendet werden, um die Zeitreihendaten in Probenreihendaten umzuwandeln. Das Verfahren segmentiert bei 510 die Laser-an-Fotodiodendaten in ‚N‘ Probenabschnitte. Die Verwendung von 20 Probenabschnitten soll als Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen. Jegliche Anzahl von Probenabschnitten kann verwendet werden, mit variierendem Grad an Genauigkeit/Auflösung. In einigen Ausführungsformen kann der Satz von Probenabschnitten als Scanlet 520 bezeichnet werden, weil es für einen einzigen Scan allgemein mehrerer Scanlets 520 bedarf. Das Verfahren kann bei 512 die Anzahl von Proben 516 zählen. Das Verfahren kann bei 514 eine Fläche des gelaserten Teils rendern. In einigen Ausführungsformen kann di Fläche 518 des gelaserten Teils mittels der Anzahl der Pixel in einer mit dem gelaserten Teil verknüpften Darstellung bestimmt werden. In anderen Ausführungsformen kann die Fläche mittels der Anzahl der Scans und solcher Daten bestimmt werden, die mit Prozessparametern verknüpft sind. Bei 522 normalisiert das Verfahren die Scanlet-Daten mittels des Gesamt-Sample-Counts der gelaserten Fläche 518, und der Scanlet-Daten 520. In der illustrierten Ausführungsform ist die Scanlet-Daten-Maßzahl 524 die thermische Energiedichte für diejenigen Bereiche des Teils, die mit jedem Scanlet verknüpft sind. In einigen Ausführungsformen können Scandaten auch je nach Scan-Typ gegliedert werden. Beispielsweise kann eine additive Fertigungsmaschine Scans mit unterschiedlicher Charakteristik einsetzen. Insbesondere können Konturenscans, oder solche, die dazu vorgesehen sind, die äußere Oberfläche eines Teils fertigzustellen, wesentlich mehr Leistung aufweisen, als Scans, die dazu vorgesehen sind, innere Bereiche des Teils zu sintern. Aus diesem Grunde können konsistente Ergebnisse auch bei Segregation der Daten je nach Scan-Typ erhalten werden. In einigen Ausführungsformen kann die Identifikation von Scan-Typen auf der Grundlage der Scan-Intensität, Scan-Dauer und/oder Scan-Position erfolgen. In einigen Ausführungsformen können Scan-Typen anhand einer Zuordnung von erfassten Scans zu Scans identifiziert werden, die von einem Scan-Plan vorgeschrieben werden, der mit dem Teil verknüpft ist, das gerade aufzubauen ist.
Al Nächstes empfängt das Verfahren 528 Referenz-Scanlet-Maßzahlen-Daten und die thermische Energiedichte und gibt ein IPQM-Qualitäts-Assessment 530 aus. Das IPQM-Qualitäts-Assessment 530 kann dazu verwendet werden, diejenigen Bereiche des Teils zu identifizieren, die am wahrscheinlichsten Fertigungsfehler enthalten. Das Verfahren 528 kann, wie weiter oben beschrieben, einen Klassifizierer beinhalten. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Verfahren und Systemen kann das Verfahren 528 Kandidatendaten, beispielsweise die Scanlet-Maßzahl-Daten 524 und die Referenz-Scanlet-Maßzahl-Daten mittels einer Mahalanobis-Distanz vergleichen. In einigen Ausführungsformen kann die Mahalanobis-Distanz für jedes Scanlet mittels der Referenz-Scanlet-Maßzahl-Daten berechnet werden. Während die in Bezug auf 5 diskutierten Ausführungsformen einen Laser als Energiequelle verwenden, wird es für den Fachmann offenkundig sein, dass viele Modifikationen und Variationen mit Blick auf die obige Lehre möglich sind; zum Beispiel die, dass der Laser durch einen Elektronenstrahl oder eine andere geeignete Energiequelle ersetzt werden kann.
Man beachte, dass die spezifischen in 5 illustrierten Schritte ein besonderes Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Erfassen der thermischen Energiedichte und zum Identifizieren desjenigen Bereichs des Teils bereitstellen, das am wahrscheinlichsten Fertigungsdefekte beinhalten. Andere Abfolgen der Schritte können gemäß alternativer Ausführungsformen ebenfalls ausgeführt werden. Beispielsweise können alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Schritte in anderer Reihenfolge ausführen. Außerdem können die einzelnen in 5 illustrierten Schritte mehrere Teilschritte beinhalten, die in diversen Abfolgen ausgeführt werden können, wie für den jeweiligen Teilschritt geeignet. Ferner können zusätzliche Schritte ausgeführt, oder weggelassen werden. Der Fachmann wird viele Variationen, Modifikationen und Alternativen erkennen.
6A zeigt Fotodioden-Zeitreihendaten 602. Die Fotodioden-Zeitreihendaten können von vielerlei on-axis- oder off-axis-Sensoren aufgenommen werden, wie in 1 und 2 illustriert. Die x-Achse 604 zeigt die Zeit in Sekunden, und die y-Achse 606 zeigt die vom Sensor erzeugte Spannung. Die vom Sensor erzeugte Spannung ist verknüpft mit der von der Aufbauebene emittierten Energie, die auf einen oder mehrere Sensoren auftreffen kann. Die Proben 606 sind über den Fotodioden-Zeitreihendaten 602 illustriert. 4B beschreibt das Verfahren bei 506, wo die Fotodiodendaten mit dem Laser-Betriebssignal verknüpft werden.
6B zeigt die Laser-an-Fotodiodendaten. Die x-Achse stellt die Nummer der Probe 608 dar, und die y-Achse 610 stellt die Spannung der Sensor-Rohdaten dar. Die Spannungs-Abfälle 612 sind in die Analyse einbezogen, weil, obgleich die Spannung wesentlich niedriger ist, der Laser dennoch aktiv zur Heizung des Materials beiträgt.
6C zeigt die Laser-an-Fotodioden-Zeitreihendaten wie in Bezug auf Schritt 510 diskutiert. Die 20-Proben-Abschnitte 620 können jegliche Größe aufweisen. Zwanzig Proben entsprechen einer Laser-Travel-Distanz von -400 µm bei einer Laser-Travel-Geschwindigkeit von 1000 mm/s. Das Rauschen im XY-Signal selbst ist -150 µm. In einigen Ausführungsformen mit kleineren als 20-Proben-Abschnitten, sondern beispielsweise 2-Proben-Abschnitten, könnten die gemessene Distanz und das Rauschen in einem solchen Verhältnis stehen, dass die Position eines Punktes nicht mit Gewissheit bestimmt werden könnte. In einigen Ausführungsformen kann eine Grenze von 50 Proben verwendet werden, für eine räumliche Auslösung von unter 1 mm. Somit sollte die Anzahl an Proben zum Segmentieren der Daten im Bereich von 20<N<50, für 50 kHz-Daten mit einer Laser-Travel-Geschwindigkeit von 1000 mm/s. Der Fachmann wird viele mögliche Modifikationen und Variationen der obigen Lehre erkennen.
6D entspricht dem Prozess 522 und illustriert eine Ausführungsform, bei der der Durchschnittswert 618 jedes Scanlets bestimmt wird. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Eingabe für Prozess 522 den Gesamt-Proben-Count 516, die Fläche 518 des gelaserten Teils und die Scanlet-Daten 520. Unter Verwendung dieser Eingaben kann der Durchschnitt verwendet werden, um die Fläche unter der Kurve (AUC) zu bestimmen, wie in Gleichung (5) illustriert: $A U C = V (a v g) * N (s a m p l e s)$
wobei V bzw. V(avg) die durchschnittliche Spannung ist, die für jedes Scanlet bestimmt wurde, und N die Anzahl der Proben ist. In 6D ist die durchschnittliche Spannung des 20-Proben-Segments äquivalent zum Integrieren des Signals, weil die Breite der Daten festgelegt ist.
6E zeigt die Fläche des gelaserten Teils für ein individuelles Scanlet 622, Ai, und für alle Scans 624. Zusätzlich zur Fläche kann die Länge eines Scans, L_i, und die Summe von L_i über das gesamte Teil, LSum_p, berechnet werden. L_i kann mittels der Gleichung (6) berechnet werden: $L_{i} = \sqrt{{(x 1_{i} - x 2_{i})}^{2} + {(y 1_{i} - y 2_{i})}^{2}}$
Die x- und y-Koordinaten für den Anfang und das Ende des Scans können bereitgestellt werden, oder sie können auf der Grundlage einer oder mehrerer direkter Sensormessungen bestimmt werden.
6F zeigt die gerenderte Fläche 626 eines gelaserten Teils, die mit einer Schicht in der Aufbauebene verknüpft ist. In einigen Ausführungsformen wird, sobald pdon_i, die Fläche des Teils, A_p, die Länge des Scans, L_i, und die Gesamtlänge LSum_p are bestimmt sind, die TED unter Verwendung der Gleichung (7) berechnet: $T E D_{i} = \frac{(p d o n_{i} * L s u m_{p})}{(A_{p} * L_{i})}$
TED spricht auf alle nutzerdefinierten Laser-Pulverbettschmelzprozessparameter ans, zum Beispiel Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Hatch-Abstand etc. Der TED-Wert kann zur Analyse mittels eines IPQM-Vergleichs zu einem Referenzdatensatz verwendet werden. Die sich ergebende IPQM kann für jeden Laserscan bestimmt werden, und kann in einem Graph oder in drei Dimensionen mittels einer Punktwolke dargestellt werden. 4G zeigt einen beispielhaften Graph. 4H zeigt eine beispielhafte Punktwolke.
7A bis 7C zeigen post-process-Porositätsmessungen und entsprechende normalisierte in-process-TED-Messungen. Die Zeichnungen zeigen, dass in-process-TED-Messungen eine genaue IPQM-Vorhersage der Porosität und anderer Fertigungsdefekte sein können. 7A zeigt den Vergleich von TED-Maßzahldaten zu einem Referenzdatensatz. Der Plot zeigt den Wert jeder Fotodiode in der IPQM-Maßzahl, sowohl separat als auch kombiniert. On-axis-Fotodiodendaten 702 können von Sensoren stammen, die mit der Energiequelle ausgerichtet sind. Off-axis-Fotodiodendaten 704 können von Sensoren aufgenommen werden, die nicht mit der Energiequelle ausgerichtet sind. Die Kombination von on-axis- und off-axis-Fotodiodendaten 706 erbringt die höchste Empfindlichkeit auf Änderungen der Prozessparameter. Die x-Achse 708 zeigt die Aufbauebenenschicht des Teils; die y-Achse 710 zeigt den Mahalanobis-Abstand zwischen der berechneten TED und der Referenz-Maßzahl.
Der Mahalanobis-Anstand kann verwendet werden, um die TED-Daten zu standardisieren. Der Mahalanobis-Abstand zeigt an, um wie viele Standardabweichungen jede TED-Messung von einer nominellen Verteilung von TED-Messungen abweicht. In diesem Fall gibt der Mahalanobis-Abstand an, um wie viele Standardabweichungen jede TED-Messung von der mittleren TED-Messung abweicht, die aufgenommen wurde, während die Kontrollschichten 526-600 aufgebaut wurden. Die unter 7A angegebene Aufstellung zeigt auch, wie die TED mit der globalen Energiedichte (GED) und der Porosität variiert. Insbesondere kann die TED für diesen Satz von Experimenten dazu konfiguriert werden, die Porosität des Teils vorherzusagen, ohne dass eine zerstörende Untersuchung erforderlich wäre.
In einigen Ausführungsformen kann die Leistungsfähigkeit der additiven Fertigungsvorrichtung ferner dadurch verifiziert werden, dass quantitative metallographische Merkmale (z. B. die Größe und Gestalt von Poren oder intermetallischen Partikeln) und/oder Merkmale mechanischer Eigenschaften (z. B. Festigkeit, Zähigkeit oder Ermüdung) der bei Test-Durchläufen erzeugten Metallteile verglichen werden. Allgemein zeigt die Anwesenheit von unverschmolzenen Metallpulverpartikeln in den Test-Teilen an, dass nicht genug Energie beaufschlagt wurde, während Test-Teile, die zu viel Energie empfangen haben, dazu neigen, interne Hohlräume zu entwickeln, wobei beides die Integrität des erzeugten Teils beeinträchtigen kann. Die Porosität 714 kann für beide Defekte repräsentativ sein.
In einigen Ausführungsformen wird ein nomineller Wert, um 7 A zu erzeugen, aus einem vorausgehenden Test genommen. In einigen Ausführungsformen könnte der nominelle Wert auch von einem nachfolgenden Test genommen werden, weil die Berechnungen nicht während der Ausführung des additiven Fertigungsverfahrens angestellt zu werden brauchen. Beispielsweise kann, wenn versucht wird, die Leistungsfähigkeit zweier additiver Fertigungsverfahren zu vergleichen, ein nomineller Wert identifiziert werden, indem ein Testlauf mit einer ersten der additiven Fertigungsvorrichtungen durchgeführt wird. Die Leistungsfähigkeit der zweiten additiven Fertigungsvorrichtung könnte dann mit den durch die erste additive Fertigungsvorrichtung definierten nominellen Werten verglichen werden. In einigen Ausführungsformen, bei denen die Leistungsfähigkeit der beiden additiven Fertigungsvorrichtungen innerhalb eines vorbestimmten Schwellwerts von fünf Standardabweichungen liegt, kann von den beiden Maschinen eine vergleichbare Leistungsfähigkeit erwartet werden. In einigen Ausführungsformen kann der vorbestimmte Schwellwert ein statistisches 95%-Konfidenzlevel sein, das aus einer inversen Chi-Quadrat-Verteilung abgeleitet ist. Dieser Typ von Test-Methodologie kann auch eingesetzt werden, um Änderungen der Leistungsfähigkeit mit der Zeit zu identifizieren. Beispielsweise können, nach dem Kalibrieren einer Maschine, Ergebnisse eines Test-Musters ausgezeichnet werden. Nachdem eine gewisse Anzahl von Fertigungs-Operationen von der Vorrichtung durchgeführt wurden, kann die additive Fertigungsvorrichtung (bzw. das Test Muster) erneut betrieben werden. Das gleich nach der Kalibrierung ausgeführte Test-Muster kann als Referenz verwendet werden, um Änderungen zu identifizieren, die mit der Zeit in der Leistungsfähigkeit der additiven Fertigungsvorrichtung aufgetreten sind. In einigen Ausführungsformen können die Einstellungen der additiven Fertigungsvorrichtung angepasst werden, um die additive Fertigungsvorrichtung zu ihrer post-Kalibrierungs-Leistungsfähigkeit zurück zu bringen.
7B zeigt die post-process-Metallographie für ein mit einem additiven Fertigungsverfahren konstruiertes Teil. 7B zeigt das Teil 718 und einen entsprechenden Querschnitt 720 des Teils. Die Abschnitte 1 bis 11 entsprechenden den Abschnitten 1 bis 11 in 7A. Die Änderungen in den Prozessparametern, und die sich daraus ergebenden Änderungen der Porosität, können in der Querschnittsansicht 720 des Teils erkannt werden. Insbesondere weisen die Abschnitte 2 und 3 die höchste Porosität auf, 3,38% bzw. 1,62%. Die höhere Porosität zeigt sich im Querschnitt in der erhöhten Anzahl an Defekt-Markierungen 722 in dem Probenteil.
7C zeigt die IPQM-Ergebnisse mit dem entsprechenden durch Metallgraphie bestimmten Querschnitt. Jeder Querschnitt beinhaltet die Energiedichte 724 in J/mm² und die Porosität 714. Die Proben mit der größten Anzahl an Defektmarkierungen 722 entsprechen den TED-Messungen mit den größten standardisierten Abständen von der Referenz. Der Plot illustriert, dass ein geringer standardisierter Abstand Vorhersagekraft für eine höhere Dichte und Metallographie geringerer Porosität hat, während ein großer standardisierter Mahalanobis-Abstand mit Hoch-Porosität und schlechter Metallographie hoch korreliert ist. Beispielsweise resultieren Einstellungen niedriger Leistung zur Erzeugung der Schichten um Schicht 200 herum in einer hohen Porosität 714 und in einer großen Zahl von Defektmarkierungen 722. Zum Vergleich führen allgemein mittlere Einstellungen bei oder um die 600ste Schicht zu keinen identifizierbaren Defektmarkierungen 722 und dem niedrigsten festgestellten Porositätswert von 0,06 %.
8 zeigt ein alternatives Verfahren, bei dem von einem optischen Sensor aufgezeichnete Daten, wie die von einem nicht-bildgebenden Fotodetektor, dazu eingesetzt werden können, um einen additiven Fertigungs-Aufbauprozess zu kennzeichnen. Bei 802 werden Sensor-Rohdaten empfangen, die sowohl Aufbauebenen-Intensitätsdaten als auch damit korrelierte Energiequellenbetriebssignaldaten beinhalten können. Bei 804 können individuelle Scans identifiziert und innerhalb der Aufbauebene lokalisiert werden, indem Das Betriebssignal und die Aufbauebenen-Intensitätsdaten verglichen werden. Allgemein wird das Energiequellen-Betriebssignal zumindest Start- und Endpositionen bereitstellen, aus denen die Fläche, über die sich der Scan erstreckt, bestimmt werden kann. Bei 806 können Sensor-Rohdaten, die mit einer Intensität oder Leistung jedes Scans verknüpft sind, entsprechenden X- & Y-Gitterbereichen zugewiesen werden. In einigen Ausführungsformen können die Intensitäts- oder Leistungs-Rohdaten in Energieeinheiten umgewandelt werden, indem die Verweilzeiten jedes Scans in einem bestimmten Gitterbereich korreliert werden. In einigen Ausführungsformen kann jeder Gitterbereich ein Pixel eines optischen Sensors darstellen, der die Aufbauebene überwacht. Man beachte, dass verschiedene Koordinatensysteme, wie Polarkoordinaten, verwendet werden können, um Gitterkoordinaten zu speichern, und dass das Speichern von Koordinaten nicht auf kartesische Koordinaten beschränkt ist. In einigen Ausführungsformen können verschiedene Scan-Typen getrennt zugewiesen werden, so dass die Analyse basierend auf bestimmten Scan-Typen durchgeführt werden kann. Beispielsweise könnte ein Bediener wünschen, auf Kontur-Scans zu fokussieren, wenn solche Scan-Typen am wahrscheinlichsten unerwünschte Variationen zeigen. Bei 808 kann der EnergieEintrag in jeden Gitterbereich aufsummiert werden, so dass eine Gesamt-Energiemenge, die jeder Gitterbereich empfangen hat, mittels Gleichung (8) berechnet werden kann. $E_{p d_{m}} = \sum_{n = 1}^{p i x e l s a m p l e s i n g r i d c e l l} E_{p d_{n}}$
Diese Summation kann unmittelbar vor dem Zufügen einer neuen Pulverschicht auf die Aufbauebene, oder die Summation kann, alternativ, aufgeschoben werden, bis eine vorbestimmte Anzahl von Pulverschichten abgelagert worden sind. Beispielsweise könnte die Summation erst ausgeführt werden, nachdem fünf oder zehn verschiedene Pulverschichten während eines additiven Fertigungsverfahrens aufgetragen und Teile davon verschmolzen worden sind. In einigen Ausführungsformen kann eine gesinterte Pulverschicht etwa 40 Mikron zur Dicke des Teils hinzufügen; allerdings wird diese Dicke je nach Typ des verwendeten Pulvers und Dicke der Pulverschicht variieren.
Bei 810 wird die Standardabweichung für die erfassten und mit jedem Gitterbereich verknüpften Proben bestimmt. Dies kann dabei helfen, Gitterbereiche zu identifizieren, in denen die Leistungs-Ablesungen mehr oder weniger variieren. Variationen in der Standardabweichung können auf Probleme mit der Sensor-Performance und/oder Fälle hinweisen, wo ein oder mehrere Scans fehlen oder Leistungs-Level aufweisen, die weit außerhalb der normalen Betriebsparameter liegen. Die Standardabweichung kann mittels der Gleichung (9) bestimmt werden. $E_{p d_{s m}} = \sqrt{\frac{1}{# s a m p l e - i n - l o c a t i o n - 1} \sum_{n = 1}^{s a m p l e_i n_p i x e l} {(E_{n} - \bar{E})}^{2}}$
Bei 812 kann die von jedem Gitterbereich empfangene gesamte Energiedichte bestimmt werden, indem die Leistungs-Ablesungen durch die gesamte Fläche des Gitterbereichs dividiert werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Gitterbereich eine quadratische Geometrie mit einer Kantenlänge von etwa 250 Mikron aufweisen. Die Energiedichte für jeden Gitterbereich kann mittels der Gleichung (10) bestimmt werden. $E_{g r i d l o c a t i o n} = \frac{\sum_{n = 1}^{s a m p l e s - i n - l o c a t i o n} E_{p d_{n}}}{A_{g r i d l o c a t i o n}}$
Bei 814 können, wenn mehr als ein Teil aufgebaut wird, verschiedene Gitterbereiche mit verschiedenen Teilen verknüpft werden. In einigen Ausführungsformen kann ein System gespeichert Teil-Grenzen beinhalten, die verwendet werden können, jeden Gitterbereich und die damit verknüpfte Energiedichte schnell mit dem jeweiligen Teil zu verknüpfen, indem die Koordinaten des Gitterbereichs und der mit jedem Teil verknüpften Grenzen verwendet werden.
Bei 816 kann eine Fläche jeder Schicht des Teils bestimmt werden. Wo eine Schicht Hohlräume beinhaltet, oder dazu beiträgt, interne Hohlräume zu definieren, möchten wesentliche Bereiche der Schicht gar keine Energie empfangen. Aus diesem Grund kann die betreffende Fläche berechnet werden, indem nur über solche Gitterbereiche summiert wird, die identifiziert sind als solche, die einen gewissen Energiebetrag von der Energiequelle empfangen sollen. Bei 818 kann die gesamte Energiemenge, die von den Gitterbereichen innerhalb desjenigen Abschnitts der Schicht empfangen wird, der mit dem Teil verknüpft ist, aufsummiert werden, und durch die betroffene Fläche dividiert werden, um die Energiedichte für jene Schicht des Teils zu bestimmen. Fläche und Energiedichte können mittels der Gleichung (11) und Gleichung (12) berechnet werden. $A_{p a r t} = \sum_{n = 1}^{p a r t p i x e l} 1 (E_{p d_{n}} > 0)$
$I P Q M_{p a r t_{l a y e r}} = \frac{\sum_{n = 1}^{p a r t g r i d l o c a t i o n s} E_{p d_{n}}}{A_{p a r t}}$
Bei 820 kann die Energiedichte jeder Schicht aufsummiert werden, um eine Maßzahl zu erhalten, die indikativ für die gesamte von dem Teil empfangene Energie ist. Die gesamte Energiedichte des Teils kann dann mit der Energiedichte von anderen, ähnlichen Teilen auf der Aufbauebene verglichen werden. Bei 822 wir die gesamte Energie von jedem Teil aufsummiert. Dies erlaubt, auf hohem Niveau Vergleiche zwischen verschiedenen Aufbauten anzustellen. Aufbau-Vergleiche können hilfreich sein, um systematische Unterschiede zu identifizieren, wie Variationen des Pulvers und Änderungen der Gesamt-Ausgangsleistung. Schließlich können, bei 824, die aufsummierten Energiewerte mit denen anderer Schichten, Teile oder Aufbauebenen verglichen werden, um die Qualität der anderen Schichten, Teile bzw. Aufbauebenen zu bestimmen.
Man beachte, dass die in 8 illustrierten spezifischen Schritte ein besonderes Verfahren des Charakterisierens eines additiven Fertigungs-Aufbauverfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitstellen. Andere Reihenfolgen der Schritte können, gemäß alternativer Ausführungsformen, ebenfalls durchgeführt werden. Beispielsweise können alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die oben angegebenen Schritte in abweichender Reihenfolge ausführen. Darüber hinaus können die einzelnen in 8 illustrierten Schritte mehrere Teilschritte aufweisen, die in mancherlei Abfolge ausgeführt werden können, je nach Eignung für den individuellen Schritt. Ferner können je nach dem Anwendungsfall zusätzliche Schritte zugefügt oder Schritte weggelassen werden. Der Fachmann wird viele Variationen, Modifikationen und Alternativen erkennen.
9A bis 9D zeigen visuelle Abbildungen, die angeben, wie mehrere Scans zur in individuelle Gitterbereiche eingebrachten Leistung beitragen können. 9A zeigt ein Gitter, das aus mehreren Gitterbereichen 902 besteht, die über einen Bereich eines durch ein additives Fertigungssystem aufzubauenden Teils verteilt sind. In einigen Ausführungsformen kann jeder einzelne Gitterbereich eine Größe zwischen 100 und 500 Mikrometern aufweisen; man sollte jedoch erkennen, dass etwas kleinere oder größere Gitterbereiche möglich sind. 9A zeigt auch ein erstes Muster von Energie-Scans 904, die sich diagonal über einen Gitterbereich 902 erstrecken. Das erste Muster von Energie-Scans 904 kann mittels eines Lasers oder einer anderen intensiven Quelle thermischer Energie beaufschlagt werden, die über die Gitterbereiche 902 scannt. Während die Energie-Scans dargestellt sind, wie wenn sie gleichförmige Energiedichte aufweisen, kann die Energiedichte der Scans in einigen Ausführungsformen stattdessen unter Verwendung einer Gaußverteilung modelliert werden. Die Gaußverteilung kann verwendet werden, um die Verteilung von Wärme innerhalb jedes Scans aufgrund der Tatsache genauer zu modellieren, dass die Wärme am Auftreffpunkt, zwischen der Energiequelle (beispielsweise Laser- oder Elektronenstrahl) und einer Pulverschicht auf der Aufbauebene am höchsten konzentriert ist und dann hin zu den Kanten des Scans zunehmend weniger intensiv wird. Indem der Strahl genauer modelliert wird, werden Gitterbereichen 902 an der Kante jedes Energie-Scans 904 wesentlich kleinere und genauere Mengen an Energie zugeordnet, während Gitterbereichen, die in einem zentralen Bereich der Energie-Scans 904 liegen, ein vergleichsweise größerer Betrag an Energie zugeordnet wird.
9B zeigt, wie die über das Teil verteilt eingebrachte Energie in jedem der Gitterbereiche 902 durch einen einzelnen Grau-Farbwert dargestellt wird, der repräsentativ für eine empfangene Energiemenge ist, wobei dunklere Grauschattierungen größeren Energiemengen entsprechen. Man beachte, dass in einigen Ausführungsformen die Größe der Gitterbereiche 902 verringert werden kann, um höher aufgelöste Daten zu erhalten. Alternativ könnte die Größe der Gitterbereiche 902 erhöht werden, um Speicher- und Verarbeitungsleistungsbedarf zu verringern.
9C zeigt ein zweites Muster von Energie-Scans 906, das wenigstens einen Teil der Energie-Scans des ersten Musters von Energie-Scans überlappt. Wie in der 8 zugehörigen Beschreibung diskutiert, sind Gitterbereiche, in denen sich das erste und das zweite Muster überlappen, in einer dunkleren Grauschattierung gezeigt, um zu illustrieren, wie Energie von beiden, einander überlappenden Scanmustern die empfangene Energiemenge erhöht. Ersichtlich ist das Verfahren nicht auf zwei überlappende Scans beschränkt, und könnte viele zusätzliche Scans, die zusammenaddiert würden, um die in jedem Gitterbereich empfangene Energie vollständig darzustellen.
10A zeigt eine beispielhafte Turbinenschaufel 1000, für die die beschriebenen Ausführungsformen geeignet sind. Die Turbinenschaufel 1000 beinhaltet mehrere verschiedene Oberflächen und weist eine Anzahl verschiedener Merkmale auf, die zur Fertigung viele verschiedene Typen von komplexen Scans erfordern. Insbesondere beinhaltet die Turbinenschaufel 1000 einen hohlen Schaufelbereich 1002 und einen verjüngten Basisbereich 1004. 10B zeigt eine beispielhafte Fertigungskonfiguration, in welcher 25 Turbinenschaufeln 1000 nebeneinander auf der Aufbauebene 1006 gefertigt werden können.
10C und 10D zeigen verschiedene Querschnittsansichten von verschiedenen Schichten der in 10B abgebildeten Konfiguration mit Gitter-TED-basierten Visualisierungsschichten. 10C zeigt Schicht 14 der Turbinenschaufeln 1000 und die TED-basierte Visualisierungsschicht illustriert, wie ein unteres Ende ausgewählter Basisbereiche 1004 mehrfache Hohlräume in den Turbinenschaufeln 1000-1, 1000-2 und 1000-3 umgrenzen kann. Weil die Energiedichtedaten mit gesonderten Gitterbereichen verknüpft sind, sind diese Hohlräume, die andernfalls vollständig innerhalb der Turbinenschaufeln versteckt wären, in dieser Gitter-TED-basierten Visualisierung klar erkennbar. 10D zeigt, wie ein oberes Ende des Basisbereichs 1004 ebenfalls mehrere versteckte Hohlräume innerhalb der Turbinenschaufeln 1000-1, 1000-2 und 1000-3 umgrenzen kann, welche aus der in 10D abgebildeten Gitter-TED-basierten Visualisierungsschicht klar erkennbar sind.
11A und 11B zeigen Querschnittsansichten von Basisbereichen 1004-1 und 1004-2 von zwei verschiedenen Turbinenschaufeln 1000. 11 A zeigt Basisbereich 1004-1, welcher unter Verwendung nomineller Fertigungseinstellungen hergestellt wurde. Die äußeren Oberflächen 1102 und 1104 von Basisbereich 1004-1 empfangen wesentlich mehr Energie als das Innere 1106 des Basisbereichs 1004-1. Der erhöhte Energieeintrag in die äußeren Oberflächen stellt eine gleichmäßigere gehärtete Oberfläche bereit, was zu einem Tempereffekt führt, der entlang der äußeren Oberflächen 1102 und 1104 erreicht wird. Diese zusätzliche Energie kann mittels Kontur-Scans höherer Energie zugeführt werden, die auf die äußeren Oberflächen 1102 und 1104 zielen. 11B zeigt Basisbereich 1004-2, welcher mit denselben Fertigungseinstellungen wie 1004-1 hergestellt wurde, ausgenommen das Weglassen der Kontur-Scans. Während alle in der Fertigungsoperation der Herstellung von Basisbereich 1004-2 verwendeten Scans auch beim Herstellen von Basisbereich 1004-1 beinhaltet waren, erlaubt das Aufsummieren der Energiedichte-Einträge für alle Scans, die jeden Gitterbereich abdecken, dem Bediener, den Unterschied zwischen Basisbereichen 1004-1 und 1004-2 klar zu erkennen.
11C zeigt den Unterschied in der Oberflächen-Konsistenz zwischen den Basisbereichen 1004-1 und 1004-2. Ersichtlich hat das Weglassen der Kontur-Scans für den Basisbereich 1004-2 einen wesentlichen Effekt auf die allgemeine Qualität der äußeren Oberfläche. Die äußeren Oberflächen für Basisbereich 1004-1 sind glatter und weniger porös in ihrer Konsistenz. Der tempernde Effekt auf den Basisbereich 1004-1 sollte ihm auch eine wesentlich höhere Festigkeit als Basisbereich 1004-2 verleihen.
12 illustriert die thermische Energiedichte für Teile, die mit mehreren verschiedenen Ausbauten verknüpft sind. Die Aufbauten A-G beinhalten jede thermische Emissionsdaten für etwa 50 verschiedene Teile (dargestellt durch separate Kreise 1202), die mit derselben additiven Fertigungsoperation aufgebaut wurden. Diese Illustration zeigt, wie thermische Emissionsdaten eingesetzt werden können, um Variationen zwischen verschiedenen Aufbauten zu verfolgen. Beispielsweise weisen die Partien A, B und C alle ähnliche TED-Verteilungen auf; die Aufbauten D, E und F weisen jedoch konsistent niedrigere thermische Emissionsdaten auf, wobei sie immer noch innerhalb der Toleranz liegen. In einigen Fällen können diese Art von Änderungen auf Änderungen der Pulverpartien zurückzuführen sein. Auf diese Weise können die thermischen Emissionsdaten eingesetzt wurden, um systematische Fehler zu verfolgen, die die allgemeine Qualität des Outputs negative beeinflussen können. Man beachte, dass, während diese Tafel mittlere TED-Werte auf Grundlage der Gitter-TED angibt, eine ähnliche Liste für eine Scan-basierte TED-Methodologie konstruiert werden könnte.
13 bis 14B illustrieren ein Beispiel, wie die thermische Energiedichte verwendet werden kann, um den Betrieb eines Teils unter Einsatz von in-situ-Messungen gesteuert werden kann. 13 zeigt, wie herzustellende Teile unter Einsatz von verschiedenen Kombinationen von Energiequellenleistung und Scangeschwindigkeit hergestellt werden und dann destruktiv analysiert werden können, um eine resultierende Teil-Dichte in Gramm/Kubikzentimeter zu bestimmen, wie abgebildet. In diesem Versuch wurde ein Teil, das mit einer Teil-Dichte 1302 verknüpft ist, und welches eine Teil-Dichte von 4,37g/cc aufweist, unter Verwendung von Hersteller-empfohlenen Einstellungen von Scan- und Laserleistungseinstellungen hergestellt. Auf der Grundlage der sich ergebenden Dichte-Ablesungen kann die Lage der gestrichelten Linie 1304 bestimmt werden. Die Linie 1304 gibt an, wo eine sich ergebende verringerte Laser-Energiemenge zu Bereichen des Pulvers führt, die nicht ausreichend erhitzt werden, um zu verschmelzen , was zu Teil-Dichten führt, die unterhalb eines Dichte-Schwellwerts fallen. Die Teil-Dichte kann auch verringert sein, wenn dem System zu viel Energie zugeführt wird, was zur Bildung von Lunkern innerhalb der Teile führt, weil bei der Fertigungsoperation Pulver verdampft anstatt geschmolzen wird. Die gestrichelte Linie 1306 kann experimentell aus den Dichtedaten bestimmt werden und ist in diesem Beispiel durch eine Teil-Dichte identifiziert, die bis zu 4,33g/cc abfällt. Die Linie 1308 stellt eine optimale Energiedichte-Kontur dar, entlang welcher die Energiedichte und die Teil-Geometrie im Wesentlichen konstant bleiben. Die Dichte-Tests zeigen, wie die durchschnittliche Dichte von Teilen, die unter Verwendung von Einstellungen, die entlang der Linie 1308 verteilt sind, relativ konsistent bleibt.
14A und 14B zeigen eine thermische Energiedichte-Kontur überlagernd einen Bereich des Leistung-Dichte-Graphen, und illustriert, wie während einer additiven Fertigungsoperation aufgenommene thermische Energiedichte-Messungen je nach den von der Energiequelle verwendeten Einstellungen variieren können. Wie in 14A und 14B abgebildet, zeigen dunklere Schattierungen höhere thermische Energiedichten an, und hellere Schattierungen zeigen geringere thermische Energiedichten an. Aus den Teil-Dichte-Tests und den thermische Energiedichte-Konturen können Steuergrenzen für ein bestimmtes Teil bestimmt werden. In diesem Fall sind die Steuergrenzen, angegeben durch die Ellipse 1402, bestimmt worden und erlauben, Pulver- und Scangeschwindigkeitsparameter von den für die Herstellung des Teils 1302 um bis zu 3σ entlang der Linie 1308 und bis zu 1σ entlang einer Linie senkrecht zur Linie 1308 abzuweichen. In einigen Ausführungsformen erlaubt die zulässige Variation in Leistung und Geschwindigkeit in-process-Anpassungen, die gemacht werden, um eine gewünschte thermische Energiedichte während eines Produktionslaufs aufrechtzuerhalten. Die Ellipse 1404 gibt ein allgemeines Prozessfenster an, das weitere Variationen außerhalb der Steuergrenzen aufnehmen kann. In einigen Ausführungsformen kann dieses Prozessfenster verwendet werden, um Variationen zu identifizieren, die immer noch erlauben würden, ein resultierendes Teil nur unter Verwendung von in-process-Daten zu validieren. Man beachte, dass, während die abgebildeten Steuer- und Prozessfenster als elliptisch dargestellt sind, andere Prozessfensterformen und -größen möglich sind und je nach beispielsweise Teil-Geometrien und Material-Exzentrizitäten komplexer gestaltet werden können. Während einer Fertigungsoperation können Ablesungen von optischen Sensoren, die die thermische Strahlung messen, verwendet werden, um die thermische Energiedichte in situ zu bestimmen. In Fällen, in denen die thermische Energiedichte außerhalb eines erwarteten Bereichs fällt, wenn die Laserleistung und die Scangeschwindigkeit innerhalb der abgebildeten Steuergrenzen gehalten werden, die durch die Ellipse 1402 angegeben sind, können diejenigen Bereiche des Teils mit den abnormen Thermische-Energiedichte-Ablesungen als potentiell Defekt-behaftet markiert werden.
In einigen Ausführungsformen können die Prozessfenster in ein Modellier- und Simulationsprogramm aufgenommen werden, das einen oder mehrere optische Sensoren modelliert, der bzw. die Sensorablesungen aufzeichnen, die zur Bestimmung der thermischen Energiedichte verwendet werden. Sobald das Modellier- und Simulationssystem zu einer ersten Näherung eines Anweisungssatzes für ein Werkstück iteriert, kann die erwartete thermische Energiedichte für weitere Tests an eine additive Fertigungsmaschine ausgegeben werden. Die modellierten thermischen Energiedichtedaten können von der additive Fertigungsmaschine für weitere Tests und zur Validierung eingesetzt werden wenn die additive Fertigungsmaschine einen optischen Sensor und Computer-Equipment aufweist, die dazu ausgebildet sind, die thermische Energiedichte zu messen. Ein Vergleich der modellierten und gemessenen thermischen Energiedichte kann dazu verwendet werden, in situ zu bestätigen, wie nahe die Ausführung des Anweisungssatzes dem erwarteten Ergebnis kommt.
14C zeigt einen anderen Leistung-Dichte-Graphen, der diverse physikalische Effekte hervorhebt, die sich daraus ergeben, dass die EnergiequellenEinstellungen zu weit außerhalb des Prozessfensters 1404 fallen. Beispielsweise zeigt der Leistung-Dichte-Graph, dass die Zufuhr Großer Mengen an Laserleistung bei niedrigen Scangeschwindigkeiten dazu führt, dass Lunker innerhalb des Werkstücks gebildet werden. Lunkerbildung tritt auf, weil Bereiche des Pulvermaterials verdampfen, indem sie zu viel Energie empfangen. Ferner kann niedrige Leistung kombiniert mit hohen Scangeschwindigkeiten dazu führen, dass das Pulver nicht verschmilzt. Schließlich führen hohe Leistungslevel kombiniert mit hohen Scangeschwindigkeiten zum Zusammenballen von Metall während einer Aufbauoperation. Man beachte, dass das Variieren der Dicke der abgelagerten Pulverschicht zu einer Verschiebung der Linien führen kann, die die Ausführungsmodus-Zone von den Lunkerbildungs-Zonen und den Zonen mit mangelndem Schmelzen abgrenzen. Beispielsweise hat das Erhöhen der Dicke der Pulverschichten den Effekt des Erhöhens der Steilheit der Linien, die die Lunkerbildungs- und die Bereiche mit mangelndem Schmelzen von der Ausführungsmodus-Zone abgrenzen, weil eine dickere Schicht allgemein mehr Energie benötig, um verflüssigt zu werden.
14C zeigt auch, wie Leistungs- und Scangeschwindigkeitseinstellungen, die der Ausführungsmodus-Zone entsprechen, im Allgemeinen nicht zu irgendwelchen der vorangehend beschriebenen ernsten Defekte führen; vielmehr kann die sich ergebende Kornstruktur und/oder die Dichte des Teils durch Einhalten der Lasereinstellungen bei Werten innerhalb des Prozessfensters 1404 optimiert werden. Ein anderer Vorteil des Haltens der Energiequelleneinstellungen innerhalb des Prozessfensters 1404 ist, dass diese Einstellungen die Ablesungen der thermischen Energiedichte innerhalb eines engen Wertebereichs halten sollten. Thermische-Energiedichte-Ablesungen während einer Fertigungsoperation, die außerhalb des vorbestimmten Bereichs fallen, können indikativ für ein Problem in dem Fertigungsprozess sein. Diese Probleme können dadurch behoben werden, dass die Einstellungen näher an einen mittigen Bereich des Prozessfensters geschoben werden, und/oder durch Aktualisieren des Prozessfensters für nachfolgende Teile. In einigen Ausführungsformen könnte ein Hersteller erkennen, dass der Fehler durch mangelhaftes Pulver, oder eine andere seltene Abweichung verursacht wurde, die nicht in nachfolgende Fertigungsprozesse faktorisiert werden sollte. Man beachte, dass das abgebildete Prozessfenster nicht für jeden Bereich eines Teils dasselbe zu sein braucht, und stark damit variieren könnte, in welchem Bereich oder sogar, in welcher spezifischen Schicht des Teils zu einer gegebenen Zeit gearbeitet wurde. Die Größe und/oder Gestalt des Prozessfensters 1404 kann also in einigen Ausführungsformen in Abhängigkeit von andere Faktoren, wie Hatch-Abstand, Scanlänge und Scanrichtung variieren.
14D zeigt, wie die Größe und Gestalt eines Schmelz-Pools in Abhängigkeit von Laserleistungs- und Scangeschwindigkeitseinstellungen variieren kann. Beispielhafte Schmelz-Pools 1406-1418 zeigen beispielhafte Schmelz-Pool-Größen und -formen für diverse Einstellungen der Laserleistung und der Geschwindigkeit. Allgemein ist zu erkennen, dass größere Schmelz-Pools von höheren Laserleistungsbeträgen und geringeren Scangeschwindigkeit herrühren. Für diese besondere Konfiguration hängt die Schmelz-Pool-Größe jedoch mehr von der Laserleistung als von der Geschwindigkeit ab.
15A bis 15F illustrieren, wie ein Gitter dynamisch erzeugt werden kann, um eine additive Fertigungsoperation zu kennzeichnen und zu steuern. 15A zeigt eine Aufsicht auf ein zylindrisches Werkstück 1502, das auf einem Bereich einer Aufbauebene 1504 angeordnet ist. Das Werkstück 1502 wird dargestellt, wie es einer additiven Fertigungsoperation unterzogen wird. 15B zeigt, wie das zylindrische Werkstück 1502 in mehrere Spuren 1506 aufgeteilt werden kann, entlang welcher eine Energiequelle Pulver schmelzen kann, das auf einer oberen Oberfläche des zylindrischen Werkstücks 1502 verteilt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Energiequelle die Richtung 1506 wechseln, wie abgebildet, während sich die Energiequelle in anderen Ausführungsformen immer in der gleichen Richtung bewegt. Ferner kann die Richtung der Spuren 1506 von Schicht zu Schicht variieren, um die Ausrichtung der für den Aufbau des Werkstücks 1502 eingesetzten Scans weiter zu randomisieren.
15C zeigt ein beispielhaftes Scanmuster für die Energiequelle, wie sie einen Bereich des Werkstücks 1502 aufbaut. Wie durch den Pfeil 1508 abgebildet, ist eine Bewegungsrichtung einer beispielhaften Energiequelle über das Werkstück 1502 diagonal. Individuelle Scans 1510 der Energiequelle können in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Energiequelle entlang der Spur 1506 ausgerichtet sein und sich über die ganze Spur 1506 erstrecken. Die Energiequelle kann zwischen aufeinanderfolgenden individuellen Scans 1510 kurz abgeschaltet werden. In einigen Ausführungsformen kann ein relatives Einschaltverhältnis der Energiequelle etwa 90% betragen, wenn diese jede der Spuren 1506 quert. Durch Anwenden dieses Typs von Scan-Strategie kann die Energiequelle eine Breite der Spur 1506 abdecken, während die das Werkstück 1502 überquert. In einigen Ausführungsformen kann die Schneise 1510 eine Breite von etwa 5 mm aufweisen. Dies kann die Anzahl der für die Bildung des Werkstücks 1502 erforderlichen Spuren wesentlich verringern, da in einigen Ausführungsformen die Breite eine durch die Energiequelle erzeugten Schmelz-Pools von der Größenordnung etwa 80 Mikron ist.
15D und 15E zeigen, wie Gitterbereiche 1512 dynamisch entlang jeder Spur 1506 erzeugt und angemaßt werden können, um eine Breite jedes individuellen Scans 1510 aufzunehmen. Eine präzise Position nachfolgender Scans kann durch das System vorhergesagt werden, indem unterwegs Energiequellen-Betriebssignale auf die Energiequelle bezogen werden. In einigen Ausführungsformen kann die Breite der Gitter 1512 an die Länge der individuellen Scans 1512 angepasst sein, oder kann innerhalb von 10 oder 20% der Länge der individuellen Scans 1512 liegen. Wiederum kann die Scanlänge der individuellen Scans 1512 durch Abfragen der Energiequellen-Betriebssignale antizipiert werden. In einigen Ausführungsformen können die Gitterbereiche 1512 quadratisch oder von rechteckiger Gestalt sein. Die thermische Energiedichte kann für jeden Gitterbereich 1512 bestimmt werden, während die Energiequelle entlang der Spur 1506 fortfährt. In einigen Ausführungsformen könnten die Ablesungen der thermischen Energiedichte innerhalb des Gitterbereichs 1512-1 verwendet werden, um den Output der Energiequelle innerhalb des nächsten Gitterbereichs, in diesem Fall Gitterbereich 1512-2, anzupassen. Wenn beispielsweise die Ablesungen der durch die individuellen Scans 1510 innerhalb des Gitterbereichs 1512-1 erzeugten thermischen Energiedichte wesentlich höher sind, als erwartet, kann die Leistungsabgabe der Energiequelle verringert werden, die Geschwindigkeit, mit der die Energiequelle individuelle Scans 1510 abfährt, kann erhöht werden, und/oder der Abstand zwischen individuellen Scans 1510 kann innerhalb des Gitterbereichs 1512-2 erhöht werden. Diese Anpassungen können als Teile eines geschlossen Regelkreises gemacht werden. Während in jedem Bereich nur fünf individuelle Scans 1510 gezeigt sind, dient dies nur dem Beispielzweck, und die tatsächliche Anzahl von individuellen Scans innerhalb eines Gitterbereichs 1512 kann wesentlich größer sein. Wenn beispielsweise die durch die Energiequelle erzeugte Schmelzzone etwa 80 Mikron breit ist, bräuchte es etwa 60 individuelle Scans 1510, damit alles Pulver in einem quadratischen 5 mm-Gitterbereich 1512 innerhalb der Schmelzzone fällt.
15F zeigt einen Kantenbereich des Werkstücks 1502, sobald die Energiequelle das Abfahren des Musters der Spuren 1506 beendet hat. In einigen Ausführungsformen kann die Energiequelle fortfahren, dem Werkstück 1502 Energie zuzuführen, nachdem das meiste Pulver aufgeschmolzen und wieder verfestigt worden ist. Beispielsweise können Kontur-Scans 1514 entlang eines Außenumfangs 1516 des Werkstücks 1502 in geführt werden, um dem Werkstück 1502 ein Oberflächen-Finish zu verleihen. Man beachte, dass Kontur-Scans 1514 wie abgebildet wesentlich kürzer sind, als die individuellen Scans 1510. Aus diesem Grund können die Gitterbereiche 1518 wesentlich kürzer sein, als die Gitterbereiche 1512. Man beachte, dass die Gitterbereiche 1518 nicht genau rechteckig sind, weil sie in diesem Fall der Kontur des Außenumfangs des Werkstücks 1502 folgen. Ein anderer Fall, der zu Unterschieden in der Scanlänge führen kann, ist der, bei dem ein Werkstück Wände variierender Dicke aufweist. Eine Wand variabler Dicke könnte zu Scanlängen führen, die innerhalb eines einzigen Gitterbereichs variieren. In einem solchen Fall könnte eine Fläche jedes Gitterbereichs konsistent gehalten werden, indem die Länge des Gitterbereichs erhöht wird, während die Breite verringert wird, um Änderungen der Länge der individuellen Scans auszugleichen.
16 zeigt ein Beispiel einer geschlossenen Regelschleife mit Feedback-Regelschleife 1600 zum Einrichten und Aufrechterhalten der Feedback-Regelung einer additiven Fertigungsoperation. Bei Block 1602 wird eine Referenz für die thermische Energiedichte für den nächsten Gitterbereich in die Regelschleife eingegeben, den die Energiequelle gerade überqueren soll. Diese Referenz für die Ablesungen der thermischen Energiedichte kann aufgrund von Modellier- und Simulationsprogrammen und/oder aus zuvor durchgeführten Testläufen/Experienten eingerichtet werden. In einigen Ausführungsformen kann diese Referenz für thermische Energiedichtedaten von dem Energiedichte-Biasblock 1604 angepasst werden, welcher Energiedichte-Ablesungen für diverse Gitterbereiche beinhaltet, die während vorausgegangener Schichten aufgezeichnet wurden. Der Energiedichte-Biasblock 1604 kann eine Anpassung zum Referenz-Energiedichteblock beinhalten, in Fällen, in denen vorangehende Schichten zu wenig oder zu viel Energie erhielten. Wo beispielsweise optische Sensorablesungen eine thermische Energiedichte anzeigen , die in einem Bereich des Werkstück unterhalb der nominellen liegt, können Energiedichte-Bias(Vorhalt)-Werte den Wert der Referenz-Energiedichte für solche Gitterbereiche erhöhen, die diejenigen Gitterbereiche mit unter-nominellen Energiedichteablesungen überlappen. Auf diese Weise ist die Energiequelle in der Lage, zusätzliches Pulver zu verschmelzen, das in der vorangehenden Schicht oder Schichten nicht vollständig verschmolzen wurde.
16 zeigt auch, wie die Eingaben von Block 1602 und 1604 kooperativ ein Energiedichte-Steuersignal erzeugen, das von der Steuerung 1606 empfangen wird. Die Steuerung 1606 ist dazu ausgebildet, das Energiedichte-Steuersignal zu empfangen und Wärmequellen-Eingabeparameter zu erzeugen, die dazu ausgebildet sind, die gewünschte thermische Energiedichte innerhalb des gegenwärtigen Gitterbereichs zu erzeugen. Die Eingabeparameter können Leistung, Scangeschwindigkeit, Hatch-Abstand, Scanrichtung und Scandauer beinhalten. Die Eingabeparameter werden von der Energiequelle 1608 empfangen, und Änderungen der Eingabeparameter werden von der Energiequelle 1608 für den gegenwärtigen Gitterbereich übernommen. Sobald optische Sensoren diejenigen Scans der Energiequelle 1608 messen, die den gegenwärtigen Gitterbereich ausmachen, wird bei Block 1610 die thermische Energiedichte für den gegenwärtigen Gitterbereich berechnet, und mit dem Energiedichte-Steuersignal verglichen. Wenn die beiden Werte dieselben sind, wird auf der Grundlage der optischen Sensordaten keine Änderung an dem Energiedichte-Steuersignal vorgenommen. Wenn aber die beiden Wert verschieden sind, wird die Differenz zu dem Energiedichte-Steuersignal addiert oder davon subtrahiert, für Scans, die in dem nächsten Gitterbereich gemacht werden.
In einigen Ausführungsformen können Gitterbereiche für die gegenwärtige Schicht und alle vorangegangenen Schichten dynamisch erzeugte Gitterbereiche sein, die in Abhängigkeit von einem Pfad und der Scanlänge/-breite von Scans ausgerichtet sind, die von der Energiequelle ausgeführt wurden. In diesem Typ von Konfiguration können sowohl die Referenz-Energiedichte als auch der Energiedichte-Bias (Vorhalt) auf dynamisch erzeugten Gitterbereichen basieren. In anderen Ausführungsformen können die Gitterbereiche für die gegenwärtige Schicht dynamisch erzeugt werden, während die Energiedichte-Biasdaten 1604 auf Energiedichte-Ablesungen basieren können, die mit vor dem Beginn der additive Fertigungsoperation definierten statischen Gitterbereichen verknüpft sind, was dazu führt, dass die statischen Gitterbereiche überall in dem Teil dieselben bleiben und in Position, Größe oder Gestalt nicht variieren. Die Gitter könnten einheitlich gestaltet und beabstandet sein, wenn ein kartesisches Gittersystem gewünscht ist, aber sie könnten auch die Form von Gitterbereichen annehmen, die ein polares Gittersystem ausmachen. In anderen Ausführungsformen können die Gitterbereiche für die gegenwärtige Schicht statisch erzeugt werden, bevor die Aufbauoperation ausgeführt wird, und Energiedichte-Biasdaten können auch statisch erzeugt werden und dasselbe Gitter verwenden, das auch für die gegenwärtige Schicht verwendet wird.
In einigen Ausführungsformen kann die thermische Emissionsdichte anstelle der thermischen Energiedichte in der Regelschleife 1600 verwendet werden. Die thermische Emissionsdichte kann sich auf andere Faktoren zusätzlich zur thermischen Energiedichte beziehen. Beispielsweise kann die thermische Emissionsdichte ein gewichteter Durchschnitt mehrerer Merkmale sein, die die thermische Energiedichte zusammen mit einem oder mehreren Merkmalen wie Peak-Temperatur, Minimaltemperatur, Heizrate, Kühlrate, Durchschnittstemperatur, Standardabweichung von der Durchschnittstemperatur und zeitliche Änderungsrate der Durchschnittstemperatur beinhalten. In anderen Ausführungsformen könnten eines oder mehrere der anderen Merkmale verwendet werden, um zu validieren, dass die Scans, die jeden der Gitterbereiche ausmachen, eine gewünschte Temperatur, Heizrate oder Kühlrate erreichen. In einer solchen Ausführungsform könnten Validierungsmerkmale als Flag benutzt werden, um anzuzeigen, dass die Eingabeparameter für die Energiequelle einer Anpassung innerhalb eines begrenzten Steuerfensters bedürfen möchten, um die gewünschte Temperatur, Heizrate bzw. Kühlrate zu erreichen. Wenn beispielsweise die Peak-Temperatur innerhalb des Gitterbereichs zu niedrig ist, könnte die Leistung erhöht und/oder die Scangeschwindigkeit erniedrigt werden. Obgleich die Diskussion der besagten Regelschleife 1600 sich auf diverse Arten von Gitter-TED bezog, beachte man, dass der Fachmann auch verstehen wird, dass Scan-TED-Maßzahlen ebenfalls in einer ähnlichen Schleifen-Konfiguration verwendet werden könnten.
TED-Analyse für Zufuhrverknappung des Recoater-Arms
17A zeigt eine normale Pulververteilung 1702 über eine Aufbauplatte 1704. Diese Abbildung zeigt, wie das Pulver gleichmäßig und ohne Variationen der Höhe verteilt wird. Im Gegensatz dazu zeigt 17B wie, wenn eine ungenügende Pulvermenge 1702 von dem Recoater-Arm bezogen wird, die Dicke der Pulverschicht 1702 stark variieren kann. Sobald der Recoater-Arm anfängt, kein Pulver 1702 mehr zur Verfügung zu haben, verringert sich die Dicke der Pulverschicht 1702 allmählich, bis Bereiche der Aufbauplatte 1704 ganz ohne Pulver 1702 bleiben. Weil Fehler dieser Art sehr negative Effekte auf die Qualität des Teils haben können, ist eine frühzeitige Erfassung dieser Art Phänomenon wichtig für eine genaue Fehlererkennung.
17C zeigt ein Schwarz/Weiß-Foto einer Aufbauplatte, bei der eine Zufuhrverknappung des Pulvers 1702 zu lediglich teilweiser Bedeckung von neun auf einer Aufbauebene angeordneten Werkstücken führte. Insbesondere sind die drei Werkstücke auf der rechten Seite des Fotos vollständig bedeckt, während die drei Werkstücke auf der linken Seite fast vollständig unbedeckt blieben.
17D zeigt, wie, wenn eine Energiequelle über alle neun Werkstücke scannt, unter Verwendung derselben Eingabeparameter, die erfasste thermische Energiedichte wesentlich verschieden ist. Die Bereiche 1706 produzieren wesentlich höhere Ablesungen der thermischen Energiedichte, aufgrund der wesentlich größeren Emittivität des Pulvers und der größeren thermischen Leitfähigkeit, die die Aufbauplatte oder verfestigtes Pulvermaterial gegenüber der effektiven thermischen Leitfähigkeit des Pulvers aufweisen. Die größere thermische Leitfähigkeit verringert die Energiemenge, die für die Abstrahlung zurück zu den optischen Sensoren zur Verfügung steht, wodurch die erfasste thermische Strahlung verringert ist. Ferner verringert auch die geringere Emittivität des Materials selbst den Betrag der abgestrahlten thermischen Energie. F
Thermische Energiedichte vs. Globale Energiedichte
Leistung, die durch eine Energiequelle geliefert wird und in das Werkstück gelangt, führt zum Schmelzen von Material, das das Werkstück bildet, aber diese Leistung kann auch durch einige andere Wärme- und Massetransferprozesse während eines additiven Fertigungsprozesses dissipiert werden. Die folgende Gleichung beschreibt verschiedene Prozesse, die die emittierte Leistung absorbieren können, wobei die Energiequelle ein über das Pulverbett scannender Laser ist: $\begin{array}{l} P_{TOTAL LASER POWER} = P_{OPTICAL LOSSES AT THE LASER} + P_{ABSORPTION BY CHAMBER GAS} + \\ P_{REFLECTION} + P_{PARTICLE AND PLUME INTERACTIONS} + P_{POWER NEEDED TO SUSTAIN MELT POOL} + \\ P_{CONDUCTION LOSSES} + P_{RADIATION LOSSES} + P_{CONVECTION LOSSES} + P_{VAPORIZATION LOSSES} \end{array}$
Optische Verluste am Laser (P_{OPTICAL LOSSES AT THE LASER}) beziehen sich auf Leistungsverluste aufgrund von Imperfektionen in dem optischen System, das für das Übertragen und Fokussieren des Laserlichts auf die Aufbauebene zuständig ist. Die Imperfektionen führen zu Absorptions- und Reflektionsverlusten des emittierten Laserlichts innerhalb des optischen Systems. Absorption durch Kammergas (P_{ABSORPTION BY CHAMBER GAS}) bezieht sich auf Leistungsverluste durch Gase innerhalb einer Aufbaukammer des additiven Fertigungssystems, die einen kleinen Bruchteil der Laserleistung absorbieren. Der Einfluss dieses Leistungsverlustes hängt von der Absorptivität des Gases bei der Wellenlänge des Lasers ab. Reflektionsverluste (P_REFLECTION) beziehen sich auf Leistungsverluste durch Licht, welches aus der Laseroptik austritt und nie vom Pulverbett absorbiert wird. Partikel-/Plume-Wechselwirkungen (P_{PARTICLE AND PLUME INTERACTIONS}) beziehen sich auf Wechselwirkungen zwischen dem Laser und einer Plume und/oder Partikeln, die während des Ablagerungsprozesses ausgestoßen werden. Während Leistungsverlust durch diese Effekte durch ein Schutzgas abgemildert werden kann, das durch die Aufbaukammer zirkuliert wird, kann eine kleine Leistungsreduktion im Allgemeinen nicht vollständig vermieden werden. Die zur Aufrechterhaltung des Schmelz-Pools nötige Leistung (P_{POWER NEEDED TO SUSTAIN MELT POOL}) bezieht sich auf den Anteil der Laserleistung, der zum Aufschmelzen und schließlich Überheizen des Pulvers auf diejenige Temperatur absorbiert wird, die der Schmelz-Pool letztlich erreicht. Leitungsverluste (P_{CONDUCTION LOSSES}) beziehen sich auf den Anteil der Leistung, der durch Leitung zum verfestigten Metall unter dem Pulver und durch das Pulverbett selbst absorbiert wird. Auf diese Weise leiten das Pulverbett und das verfestigte Material, das das Teil ausmacht, Wärme weg vom Schmelz-Pool. Dieser leitende Transfer von thermischer Energie ist die dominante Form von Energieverlust vom Schmelz-Pool. Strahlungsverluste (P_{RADIATION LOSSES}) beziehen sich auf den Anteil der Laserleistung, der vom Schmelz-Pool und diesen umgebendem Material abgestrahlt wird, das heiß genug ist, thermische Strahlung abzugeben. Konvektionsverluste (P_{CONVECTION LOSSES}) beziehen sich auf Verluste durch den Transfer von thermischer Energie auf Gase, die durch die Aufbaukammer zirkulieren. Schließlich beziehen sich Verdampfungsverluste (P_{VAPORIZATION LOSSES}) auf einen kleinen Bruchteil des Pulvermaterials, das unter der Laserbestrahlung verdampft. Die latente Wärme der Verdampfung ist sehr groß, so dass dies ein leistungsfähiger Kühleffekt auf den Schmelz-Pool ist und eine nicht-vernachlässigbare Quelle des Energieverlustes werden kann, je höher die Gesamt-Laserleistung (PTOTALLASERPOWER) wird.
Die thermische Energiedichte (TED)-Maßzahl basiert auf der Messung von optischem Licht, das die Folge von Abstrahlung von Licht aus den aufgeheizten Bereichen, Übertragung dieses Lichts zurück durch die Optik, Sammeln des Lichts durch den Detektor und Umwandlung dieses Lichts in elektrische Signale ist. Die Gleichung, die Schwarzkörperstrahlung über alle möglichen Frequenzen angibt, ist die unten als Gleichung (14) gezeigte Stefan-Boltzmann-Gleichung: $P_{R A D I A T E D} = F_{H O T - O P T I C S} \cdot ε \cdot σ \cdot A \cdot (T_{H O T}^{4} - T_{B A C K G R O U N D}^{4})$

Die Variablen aus Gleichung (14) sind nachfolgend in Tabelle (1) gezeigt. Tabelle (1)

ε	Emittivität ist definiert als das Verhältnis der von der Oberfläche eines Materials abgestrahlten Energie zur derjenigen eines Schwarzkörpers (perfekten Strahlers) bei derselben Temperatur und Wellenlänge und unter denselben Betrachtungsbedingungen
F_HOT-OPTICS	Betrachtungsfaktor zwischen den Bereichen der Aufbauebene, die heiß genug sind, abzustrahlen, und der Scan-Optik des Laserkopfs
σ	Stefan-Boltzmann-Konstante, 5,67×10^-8 Watt pro Quadratmeter pro Kelvin hoch vier
A	Fläche der Bereiche, die zur nennenswerten Abstrahlung heiß genug sind. Man beachte, dass diese GRÖßER sein wird, als die Fläche des Schmelz-Pools. Mit anderen Worten, dieser Term ist NICHT gleichbedeutend mit der Fläche des Schmelz-Pools
T_HOT	Durchschnittliche Temperatur der Bereiche, die zur nennenswerten Abstrahlung heiß genug sind
T_BACKGROUND	Temperatur des Objekts oder Hintergrundmediums, zu dem der Schmelz-Pool abstrahlt. Dies wird im Allgemeinen eine wesentlich niedrigere Temperatur sein, und daher ist dieser Term praktisch von vernachlässigbarer Größenordnung

Es gibt weitere Einflussfaktoren, die das abgestrahlte Licht beeinträchtigen, bevor es von dem Sensor gesammelt wird, und bevor es zu einer Spannung führt, die verwendet wird, um die TED-Maßzahl zu berechnen (V_VOLTAGE _{USED BY TED}). Diese sind unten in der Gleichung (15) zusammengefasst: $\begin{array}{l} V_{VOLTAGE USED BY TED} = {P_{RADIATED} - P_{VIEW FACTOR} - P_{OPTICAL LOSSES AT RADIATED WAVELENGTHS} - \\ P_{SENSOR LOSS FACTOR}} * (SENSOR SCALING FACTOR) \end{array}$

Diese diversen Terme der Gleichung (15) werden unten in Tabelle (2) erklärt. Tabelle (2)

P_RADIATED	Die oben diskutierte angestrahlte Leistung, als die Leistung, die von den Bereichen der Aufbauebene abgestrahlt wird (bestehend aus dem Schmelz-Pool und dem umgebenden heißen Material)
P_{VIEW FACTOR}	Dieser Verlust-Term berücksichtigt, dass nicht die gesamte abgestrahlte Leistung, die den heißen Bereich verlässt, in die Optik des Scan-Kopfes eintritt, und dass es einen geometrischen Betrachtungsfaktor-Effekt gibt, der den Energiebetrag angibt, der aufgefangen werden kann. Dieser könnte numerisch berechnet werden, wenn alle relevanten Geometrien bekannt sind, und ein Ray-Tracing-Schema angewendet wird.
P_{OPTICAL LOSSES AT RADIATED} WAVELENGTHS	Dieser Term berücksichtigt Verluste aufgrund der Optik des Scan-Kopfes und damit verknüpfter teilweise reflektierender und Wellenlängen-abhängiger Spiegel, die es gestatten, dass Licht zurück zum Scan-Kopf gelangt und am Sensor aufgefangen wird
P_{SENSOR LOSS FACTOR}	Der Sensor selbst weist eine Wellenlängen-abhängige Charakteristik auf
SENSOR SCALING FACTOR	Dies ist ein numerischer Faktor dafür, wie von der Fotodiode empfangene Photonen in Elektronen umgewandelt werden und eine messbare Spannung ergeben

Bei additive Fertigung wird oft eine Richtgröße verwendet, nämlich die globale Energiedichte (GED). Dies ist ein Parameter, der diverse PROZESS-EINGABEN wie unten in der Gleichung (16) angegeben kombiniert: $GED = (BEAM POWER) / {(TRAVEL SPEED) * (HATCH SPACING)}$
Es wird darauf hingewiesen, dass GED die Einheit Energie pro Flächeneinheit hat: (Joule/Sek) / {(cm/Sek) * (cm) } = Joule/cm². Man beachte jedoch, dass, obgleich GED dieselbe Einheit wie TED haben kann, GED und TED im Allgemeinen NICHT gleichwertig sind. Beispielsweise wird TED aus der von einem heißen Bereich abgestrahlten Leistung, dividiert durch eine Fläche, erhalten, wohingegen GED ein Maß für den Leistungs-Input ist. Wie hierin beschrieben bezieht sich TED auf RESPONSE oder PROZESSAUSGANG, wohingegen GED sich auf einen PROZESSEINGANG bezieht. Die Erfinder glauben, dass daher TED und GED voneinander verschiedene Maße sind. In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich die zur Bestimmung von TED verwendete Fläche von der Schmelz-Pool-Fläche. Im Ergebnis gibt es in einigen Ausführungsformen keine direkte Korrelation zwischen TED und der Schmelz-Pool-Fläche. Günstigerweise spricht TED auf einen breiten Bereich von Faktoren an, welche den additiven Fertigungsprozess direkt beeinflussen.
Thermische Energiedichte basierend auf der Überwachung von diskreten Lichtwellenlängen
18A zeigt einen beispielhaften Graphen 1800, der Sensorwerte darstellt, die durch ein Spektrometer während eines additiven Fertigungsverfahrens durch Lasersintern unter Verwendung einer pulverisierten Aluminiumlegierung aufgenommen wurden. In einigen Ausführungsformen kann das Spektrometer einen Bereich zwischen 0 und 1500 nm haben, der sowohl sichtbare und Nah-Infrarot-Spektren abdeckt. Ein Peak 1802, der bei 1064 nm liegt, entspricht einer Wellenlänge eines Ytterbium-dotierten Lasers, der als eine Energiequelle für das additive Fertigungsverfahren dient. Selbst wenn an dem Laser Blenden installiert sind, kann die Höhe des Peaks 1802 künstlich erhöht sein, und zwar aufgrund von Laserlicht, das von anderen Flächen in einer Bearbeitungskammer reflektiert wird, bevor es durch das Spektrometer gemessen wird. Aufgrund der Höhe des Peaks 1802 wird das Spektrometer mit Licht dieser Wellenlänge gesättigt, was dazu führt, dass andere Frequenzen des Lichts, die andernfalls erfasst werden könnten, durch das Spektrometer unterdrückt oder in einigen Fällen gänzlich verdeckt werden. Während der Peak 1804 beispielsweise einer Schwarzkörperstrahlungskurve entsprechen könnte, ist die Amplitude des Signals für eine Merkmalsanalyse aufgrund der Sättigung des Spektrometers durch das Laserlicht zu gering.
18B zeigt einen beispielhaften Graphen 1850, der einen Teil von durch das Spektrometer aufgenommenen Sensorwerten zeigt, der dem vorangehend angegebenen Peak 1804 entspricht, nachdem zu dem Spektrometer ein Bandpassfilter hinzugefügt wurde, der die den Peak 1802 umgebenden Frequenzen blockiert. Der Bandpassfilter kann beispielsweise dazu konfiguriert sein, Lichtfrequenzen mit Frequenzen zwischen 1000 und 1100 nm zu entfernen. Das Entfernen dieser Frequenzen von dem Spektrometer führt zu dem Graphen 1850, der, abgesehen von bestimmten Merkmalspeaks 1852 , der allgemeinen Gestalt einer Schwarzkörperstrahlungskurve folgt. Die spektralen Peaks 1852 sind auf Materialeigenschaften des Pulvers zurückzuführen, das der Laserbestrahlung ausgesetzt ist. Bei einigen Ausführungsformen können diese spektralen Peaks auf die Gegenwart neutraler Atome zurückzuführen sein, die das Pulver bilden, sowie auf ionisiertes Pulver und Elektronen, die aus der Ionisation hervorgehen. Diese spektralen Peaks 1852 bleiben im Allgemeinen bei festen Wellenlängen. Dies ermöglicht es, Wellenlängen 1854 und 1856 auszuwählen, die bei Frequenzen liegen, die von den spektralen Peaks 1852 beabstandet sind. Während die Höhen der spektralen Peaks 1852 mit der Temperatur variieren können, bleibt der Bereich an Wellenlängen, den sie abdecken, über weite Temperaturbereiche der gleiche. In einigen Ausführungsformen kann es auch wünschenswert sein, eine Trendlinie zu bilden, die der Gestalt einer Schwarzkörperkurve folgt, und Wellenlängen auszuwählen, die konsistent auf der die Schwarzkörperkurve definierenden Trendlinie liegen. Dies hilft zusätzlich dabei, zu verhindern, dass die ausgewählten Wellenlängen 1854 oder 1856 auf einem spektralen Merkmal liegen, was die Genauigkeit von Temperaturdaten negativ beeinflusst, die aus den Sensorüberwachungswellenlängen 1854 und 1856 gewonnen werden.
Optische Sensoren, die die Wellenlängen 1854 und 1856 überwachen, können dazu konfiguriert sein, einen schmalen Bereich an Wellenlängen zwischen 0,5 nm und etwa 10 nm zu überwachen, die um die ausgewählten Wellenlängen zentriert sind. Eine Größe des Bereichs kann von der Anwendung und Eigenschaften des Pulvers und der verwendeten Energiequelle abhängen. In einigen Ausführungsformen können zwei verschiedene optische Sensoren verwendet werden, um bei den Wellenlängen 1854 und 1856 emittiertes Licht zu sammeln. Die optischen Sensoren können als Fotodetektoren oder insbesondere Fotodioden vorliegen, die dielektrische Vielschicht-Wellenlängen-Notch-Filter aufweisen, die das Licht, das die Fotodiode erreicht, auf schmale Wellenlängenbereiche begrenzen, die um die Wellenlängen 1854 bzw. 1856 herum zentriert sind. Während die Wellenlängen 1854 und 1856 an einander gegenüberliegenden Seiten der Schwarzkörperkurve positioniert sind, können die Wellenlängen auch auf der gleichen Seite der Kurve positioniert sein, solange die Wellenlängen nicht überlappen.
Ein Verhältnis der Intensität des Lichts bei der Wellenlänge 1854 zu der Intensität des Lichts bei der Wellenlänge 1856 kann dazu verwendet werden, Änderungen oder Variationen der Temperatur an der Aufbauebene zu charakterisieren. Diese Messungen werden getrieben durch thermische Strahlung aus dem Schmelzpool und einer leuchtenden Fahne nahe dem Schmelzpool, welche durch Verdampfen kleiner Teile des Metallpulvers hervorgerufen wird. Die meisten Messungen kommen von der leuchtenden Fahne her, da die leuchtende Fahne die Schwarzkörperemission aus dem Schmelzpool überdeckt. Diese Konfiguration, die einen sehr kleinen Bereich von von der Aufbauebene emittiertem Licht überwacht, verhindert die meisten Ungenauigkeiten, die von der Überwachung eines breiten Spektrums herrühren. Beispielsweise verringert dieses Überwachungsverfahren Ungenauigkeiten stark, die durch Laserlicht hervorgerufen werden, das von Wänden der Vorrichtung zur additiven Fertigung reflektiert wird. Es sei angemerkt, dass die Schwarzkörperstrahlungskurve in Abhängigkeit von der Art des verwendeten pulverisierten Metalls hinsichtlich der Wellenlänge stark variieren kann. Während die Graphen in den 18A und 18B beispielsweise Aluminium entsprechen, das eine Schwarzkörperstrahlungskurve aufweist, die sich zwischen 400 nm und 900 nm erstreckt, kann eine Schwarzkörperstrahlungskurve für Titan zwischen etwa 1400 nm und 1700 nm liegen. Aus diesem Grund würden die Wellenlängen 1854 und 1856 erneut ausgewählt werden, wenn es Änderungen bei der Metallpulverlegierung gibt. Eine erneute Auswahl der Wellenlängen 1854 und 1856 kann auch wünschenswert sein, wenn die beabsichtigten Betriebstemperaturen geändert werden. Ein Betreiber kann die Betriebstemperatur für ein Teil mit der gleichen Art von Metalllegierung ändern, wenn eine andere Kornstruktur des Materials gewünscht ist.
19A zeigt einen Graphen 1900, der eine Anzahl von Schwarzkörperstrahlungskurven darstellt, die für verschiedene Schmelzpooltemperaturen repräsentativ sind, die von 3500 K bis 5500 K reichen, und der Graph ist eine Darstellung der Planck'schen Strahlungsgleichung. In einem Fall, in dem eine Schmelzpooltemperatur von 4000 K gewünscht ist, die während einem additiven Fertigungsbetrieb aufrechterhalten werden soll, können Lichtwellenlängen 1902 und 1904 auf beiden Seiten eines Peaks der Schwarzkörperstrahlungskurve 1906 gewählt werden. Ein Verhältnis einer durch einen ersten Sensor, der Lichtwellenlängen 1902 überwacht, aufgenommenen Energiedichte zu einer durch einen zweiten Sensor, der Lichtwellenlängen 1904 überwacht, aufgenommenen Energiedichte kann verwendet werden, um Temperatur und Hitze innerhalb des additiven Fertigungssystems zu charakterisieren. Wenn das Verhältnis dieser Energiedichten zunimmt, kann bestimmt werden, dass eine Temperatur des Schmelzpools zunimmt. Ähnlich ist eine Verringerung des Werts des Verhältnisses kennzeichnend für eine Abnahme der Temperaturen in der Aufbauebene und dem Schmelzpool. 19A zeigt, wie ein Verhältnis der Intensitäten für die Schwarzkörperstrahlungskurve 1906 etwa 1,4 sein kann, während ein Verhältnis der Intensitäten für die Schwarzkörperstrahlungskurve 1908 etwa 1,5 sein kann, und ein Verhältnis der Energiedichten für die Schwarzkörperstrahlungskurve 1910 etwa 2,7 sein kann. In einigen Ausführungsformen kann dieses Energiedichteverhältnis anstatt der Rohdaten für Messungen der Intensität bzw. Energiedichte verwendet werden, wenn die thermische Energiedichte berechnet wird, um den additiven Fertigungsvorgang genauer zu charakterisieren.
Zusätzlich zu der Tatsache, dass sie ein nützliches Merkmal bereitstellen, das mit Änderungen der Schmelzpooltemperatur vorhersagbar skaliert, können die relativen Intensitäten des Lichts auch dazu verwendet werden, die Temperatur direkt zu messen. Während das Stefan-Boltzmann-Gesetz gemäß obiger Gleichung (14) eine Beziehung zwischen Leistung und Temperatur beschreibt, beschreibt das Planck'sche Gesetz die spektrale Dichte elektromagnetischer Strahlung, die von einem schwarzen Körper im thermischen Gleichgewicht bei einer gegebenen Temperatur T emittiert wird. Das Gesetz ist nach Max Planck benannt, der es im Jahre 1900 vorgeschlagen hat. Das Gesetz kann nach der Temperatur aufgelöst werden, wie dies in Gleichung (17) gezeigt ist: $T = \frac{\frac{h c}{k B} (\frac{1}{λ_{2}} - \frac{1}{λ_{1}})}{l n (\frac{P D_{λ_{1}}}{P D_{λ_{2}}}) + 5 ln (\frac{λ_{1}}{λ_{2}})}$
In Gleichung (17) entspricht T der Temperatur des Schmelzpools, h ist die Planck'sche Konstante (6,62 × 10^-34 Js), c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, k_B ist die Boltzman-Konstante (1.38 × 10^-23 J/K), λ₁ und λ₂ sind zwei diskrete Wellenlängen von Licht, und PDλ₁ und PDλ₂ sind Intensitäten von Licht bei den beiden Wellenlängen. Diese Gleichung erlaubt es, eine kalibrierte Temperatur aus Messungen zu bestimmen, die durch zwei Sensoren gewonnen wurden, die zwei diskrete Wellenlängen des Lichts abtasten.
19B zeigt einen Graphen 1950 und wie eine prozentuale Änderung der ausgegebenen Leistung den natürlichen Logarithmus des Verhältnisses an Intensitäten beeinflusst, die bei der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge gemessen werden. Der Graph 1950 zeigt, wie die prozentuale Änderung in der Leistung direkt proportional ist zu dem natürlichen Logarithmus der Intensitäten des bei der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge gemessenen Lichts. Diese konsistente Korrelation erlaubt es, Nachschlagetabellen zu entwickeln, die Änderungen im Energieeintrag am Pulverbett genau wiedergeben. Jede wesentliche Variation dieses logarithmischen Intensitätsverhältnisses kann auf diese Weise ungewünschten Problemen in dem Aufbauprozess entsprechen.
20A zeigt ein beispielhaftes additives Fertigungssystem, das mit drei optischen Sensoren ausgestattet ist, von denen zwei optische Sensoren diskrete Lichtwellenlängen überwachen, um Temperaturvariationen in Echtzeit zu charakterisieren, welche an der Aufbauebene auftreten, und der dritte optische Sensor dazu konfiguriert ist, die thermische Energiedichte zu messen, wie sie vorangehend in Bezug auf die 18A bis 19B beschrieben wurde. Die thermische Energiedichte ist auf Änderungen von Prozessparametern empfindlich, wie etwa beispielsweise Energiequellenleistung, Energiequellengeschwindigkeit und Hatch-Abstand. Das additive Fertigungssystem von 20A verwendet einen Laser 2000 als die Energiequelle. Der Laser 2000 emittiert einen Laserstrahl 2001, der einen teilweise reflektierenden Spiegel 2002 durchsetzt und in ein Scan- und Fokussierungssystem 2003 eintritt, welches den Strahl dann auf einen Bereich 2004 an der Aufbauebene 2005 richtet. In einigen Ausführungsformen ist die Aufbauebene 2005 ein Pulverbett. Optische Energie 2006 wird von dem Bereich 2004 aufgrund von hohen Materialtemperaturen und Emissionseigenschaften der Materialien emittiert, die von dem Laserstrahl 2001 bestrahlt werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Scan- und Fokussiersystem 2003 dazu konfiguriert sein, etwas von der optischen Energie 2006 zu sammeln, die von dem Bereich 2004 emittiert wird. In einigen Ausführungsformen können ein Schmelzpool und eine leuchtende Fahne gemeinsam Schwarzkörperstrahlung aus dem Bereich 2004 emittieren. Der Schmelzpool ist das Ergebnis der Verflüssigung des pulverförmigen Metalls aufgrund der durch den Laserstrahl 2001 eingebrachten Energie, und er ist für die Emission des größten Anteils der optischen Energie 2006 verantwortlich, die von dem Fokussiersystem 2003 zurückreflektiert wird. Die leuchtende Fahne entsteht aufgrund der Verdampfung von Teilen des pulverförmigen Metalls. Der teilweise reflektierende Spiegel 2002 kann einen größten Teil der von dem Fokussiersystem 2003 erhaltenen optischen Energie 2006 reflektieren. Diese reflektierte Energie ist in 20 als optische Energie 2007 bezeichnet. Die optische Energie 2007 kann durch auf der Achse liegende optische Sensoren 2009-1 und 2009-2 gemessen werden. Jeder der auf der Achse liegenden optischen Sensoren 2009 erhält einen Teil der optischen Energie 2007 über Spiegel 2008-1 und 2008-2. In einigen Ausführungsformen können die Spiegel 2008 dazu konfiguriert sein, nur die Wellenlänge λ₁ bzw. λ₂ zu reflektieren. In einigen Ausführungsformen erhalten die Sensoren 2009-1 und 2009-2 insgesamt 80 bis 90 % des über den optischen Weg reflektierten Lichts. Die optischen Sensoren 2009-1 und 2009-2 können auch Notch-Filter umfassen, die dazu konfiguriert sind, Licht außerhalb der jeweiligen Wellenlängen λ₁ und. λ₂ zu blockieren. Ein dritter optischer Sensor 2009-3 kann dazu konfiguriert sein, Licht von dem teilweise reflektierenden Spiegel 2002 zu erhalten. Wie dargestellt, kann ein zusätzlicher Montagepunkt vorgesehen sein, der die Installation des dritten optischen Sensors 2009-3 ermöglicht. In einigen Ausführungsformen können die optischen Sensoren 2009-1 und 2009-2 mit Notch-Filtern bedeckt sein, während der dritte optische Sensor 2009-3 dazu konfiguriert ist, einen wesentlich breiteren Bereich an Wellenlängen zu messen. In einigen Ausführungsformen können die Sensoren 2009-1 und 2009-2 durch Spektrometer ersetzt sein, die dazu konfiguriert sind, eine anfängliche Charakterisierung einer Schwarzkörperstrahlung durchzuführen, die einer Pulvermenge zugeordnet ist, die verwendet wird, um ein additives Fertigungsverfahren durchzuführen. Diese Charakterisierung kann dann verwendet werden, um festzustellen, wie die Wellenlängenfilter der optischen Sensoren 2009-1 und 2009-2 konfiguriert sind, um von der durch das Spektrometer charakterisierten Schwarzkörperkurve beabstandet zu sein und spektrale Peaks zu vermeiden, die der Schwarzkörperkurve zugeordnet sind. Diese Charakterisierung wird durchgeführt, bevor ein vollständiger additiver Fertigungsbetrieb durchgeführt wird.
Es ist ersichtlich, dass die gesammelte optische Energie 2007 nicht den gleichen spektralen Inhalt aufweisen muss wie die von dem Strahlwechselwirkungsbereich 2004 emittierte optische Energie 2006, da die optische Energie 2007 einiges an Dämpfung erlitten hat, nachdem sie mehrere optische Elemente durchlaufen hat, wie etwa den teilweise reflektierenden Spiegel 2002, das Scan- und Fokussiersystem 2003 und einen oder mehrere der teilweise reflektierenden Spiegel 2008. Diese optischen Elemente können jeweils ihre eigenen Transmissions- und Absorptionseigenschaften aufweisen, die zu verschiedenen Dämpfungen führen, die somit gewisse Bereiche des Spektrums an Energie begrenzen, die von dem Strahlwechselwirkungsbereich 2004 abgestrahlt wird. Die durch die auf der Achse liegenden optischen Sensoren 2009 erzeugten Daten können einer Menge an Energie entsprechen, mit der die Arbeitsplattform beaufschlagt wird. Dies ermöglicht es, dass Notch-Merkmal-Wellenlängen ausgewählt werden, um Frequenzen zu vermeiden, die durch Absorptionseigenschaften der optischen Elemente übermäßig gedämpft werden.
Beispiele für auf der Achse liegende optische Sensoren 2009 umfassen Signalwandler, die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln (d. h. Fotodetektoren), wie etwa Pyrometer und Fotodioden. Die optischen Sensoren können auch Spektrometer und Zeitrafferkameras oder Zeitlupenkameras umfassen, die im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Frequenzspektrum arbeiten. Die auf der Achse liegenden optischen Sensoren 2009 sind in einem Bezugssystem, das sich mit dem Strahl bewegt, d. h. sie sehen alle Bereiche, die von dem Laserstrahl berührt werden, und sie sind in der Lage optische Energie 2007 von allen Bereichen der Aufbauebene 2005 zu sammeln, die erreicht werden, wenn der Laserstrahl 2001 über die Aufbauebene 2005 gescannt wird. Da die durch das Scan- und Fokussiersystem 2003 gesammelte optische Energie einen Pfad durchläuft, der nahezu parallel zu dem Laserstrahl ist, können die Sensoren 2009 als auf der Achse liegende Sensoren betrachtet werden.
In einigen Ausführungsformen kann das additive Fertigungssystem außerhalb der Achse liegende Sensoren umfassen, die in einem in Bezug auf den Laserstrahl 2001 stationären Bezugssystem angeordnet sind. Ferner können Kontaktsensoren an dem Recoater-Arm vorgesehen sein, der dazu konfiguriert ist, metallische Pulver über die Aufbauebene 2005 zu verteilen. Diese Sensoren können Beschleunigungssensoren bzw. Accelerometer, Vibrationssensoren und dergleichen sein. Schließlich können weitere Arten von Sensoren, wie etwa Thermoelemente, vorgesehen sein, um makroskopische thermische Felder zu messen, oder sie können Sensoren für akustische Emissionen umfassen, die ein Brechen und andere metallurgische Phänomene detektieren können, die bei der Abscheidung des Werkstücks entstehen können, während dieses aufgebaut wird.
In einigen Ausführungsformen ist ein Computer 2016 einschließlich eines Prozessors 2018, eines computerlesbaren Mediums 2020 und einer Ein-/Ausgabeschnittstelle 2022 vorgesehen und mit geeigneten Systemkomponenten des additiven Fertigungssystems gekoppelt, um Daten von den verschiedenen Sensoren zu sammeln. Die durch den Computer 2016 erhaltenen Daten können In-Process-Sensor-Rohdaten und/oder reduzierte Sensordaten umfassen. Der Prozessor 2018 kann die In-Process-Sensor-Rohdaten und/oder die reduzierten Sensordaten verwenden, um Daten zur Leistung des Lasers 2000 und Kontrollinformation zu bestimmen, einschließlich Koordinaten in Bezug auf die Aufbauebene 2005. In anderen Ausführungsformen kann der Computer, der den Prozessor 2018, das computerlesbare Medium 2020 und eine Ein-/Ausgabeschnittstelle 2022 umfasst, die Steuerung der verschiedenen Systemkomponenten bereitstellen. Der Computer kann Steuerungsinformation in Bezug auf den Laser 2000, die Aufbauebene 2005 und andere zugeordnete Komponenten und Sensoren erhalten und überwachen.
Der Prozessor 2018 kann dazu verwendet werden, unter Verwendung der durch die verschiedenen Sensoren gesammelten Daten Berechnungen durchzuführen, um Prozess-Qualitätsmaßzahlen (IPQM) zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen können die durch auf der Achse liegende optische Sensoren 2009 erzeugten Daten verwendet werden, um während des Aufbauvorgangs die thermische Energiedichte zu bestimmen. Durch den Prozessor kann Steuerungsinformation erhalten werden, die der Bewegung der Energiequelle über die Aufbauebene zugeordnet ist. Der Prozessor kann dann die Steuerungsinformation verwenden, um Daten von den auf der Achse liegenden optischen Sensoren 109 und/oder den abseits der Achse liegenden optischen Sensoren 110 einem entsprechenden Ort zuzuordnen. Diese zugeordneten Daten können dann kombiniert werden, um eine thermische Energiedichte zu berechnen. In einigen Ausführungsformen können die thermische Energiedichte und/oder andere Werte oder Maßzahlen von dem Prozessor 2018 verwendet werden, um Steuersignale für Prozessparameter zu erzeugen, wie beispielsweise Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Hatch-Abstand und andere Prozessparameter, und dies in Antwort auf die thermische Energiedichte oder andere Maßzahlen oder Werte, die außerhalb gewünschter Bereiche liegen. Auf diese Weise kann ein Problem, das ansonsten ein Werkstück ruinieren kann, abgeschwächt werden. In Ausführungsformen, bei denen mehrere Teile gleichzeitig erzeugt werden, können schnell durchgeführte Korrekturen an den Prozessparametern in Antwort auf die Tatsache, dass Maßzahlen außerhalb gewünschter Bereiche liegen, es verhindern, dass benachbarte Teile zu viel oder zu wenig Energie von der Energiequelle erhalten.
In einigen Ausführungsformen kann die Ein-/Ausgabeschnittstelle 2022 dazu konfiguriert sein, gesammelte Daten an einen entfernten Ort zu übertragen. Die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 2022 kann dazu konfiguriert sein, Daten von dem entfernten Ort zu erhalten. Die empfangenen Daten können Referenzdatensätze, historische Daten, Inspektionsdaten aus einer Zeit nach der Herstellung und Klassifizierungsdaten umfassen. Das entfernte Computersystem kann unter Verwendung der von dem additiven Fertigungssystem übertragenen Daten Prozessqualitätsmaßzahlen berechnen. Das entfernte Computersystem kann in Antwort auf bestimmte Prozessqualitätsmaßzahlen Informationen an die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 122 übertragen. Es sei erwähnt, dass die in Zusammenhang mit 20 beschriebenen Sensoren auf die beschriebenen Weisen verwendet werden können, um die Leistungsfähigkeit eines additiven Fertigungsvorgangs zu charakterisieren, das fortschreitenden Materialaufbau beinhaltet.
Während die hierin beschriebenen Ausführungsformen Daten verwendet haben, die von optischen Sensoren erfasst wurden, um die thermische Energiedichte zu bestimmen, können die hierin beschriebenen Ausführungsformen unter Verwendung von Daten implementiert werden, die von Sensoren erzeugt werden, die andere Manifestationen von physikalischen in-process-Variablen messen. Sensoren, die Manifestationen von physikalischen in-process-Variablen messen, beinhalten beispielsweise Kraft- und Vibrationssensoren, thermische Kontaktsensoren, kontaktlose thermische Sensoren, Ultraschall-Sensoren und Wirbelstromsensoren. Der Fachmann wird viele mögliche Modifikationen und Variationen der obigen Lehre erkennen.
20B zeigt eine der 20A ähnliche Konfiguration, mit dem Unterschied, dass die Sensoranordnung 2010 an der Optik des Lasers 2000 durch eine optische Faser 2012 angebracht sein kann. Dies ermöglicht es, dass die Sensoranordnung 2010 von der additiven Fertigungsvorrichtung entkoppelt ist. In einigen Ausführungsformen kann das optische Kabel einen Splitter/Teiler umfassen, der die Optik 2008 ersetzt, was es ermöglicht, dass jeder der optischen Sensoren 2009-1, 2009-2 und 2009-3 durch eine separate optische Faser versorgt wird. Der Splitter/Teiler kann auch dazu konfiguriert sein, jedem der optischen Sensoren geeignete Teile des Lichts 2007 zuzuführen. Auf diese Weise könnten die Sensoren weiter aufgeteilt werden. Die Sensoranordnung 2010 wäre dann immer noch mit dem Computer 2016 in elektrischer Verbindung, weshalb die verschiedenen Arten der vorangehend beschriebenen Steuerungen unabhängig von der Position der Sensoranordnung 2010 gänzlich implementiert werden können.
21 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Verfahren zum Messen optischer Emissionen während eines additiven Herstellungsprozesses erläutert. Bei 2102 wird ein Spektrometer verwendet, um Strahlung von dem Schmelzpool während des additiven Herstellungsverfahrens zu sammeln. Optische Emissionen einer Energiequelle, die verwendet wird, um den Schmelzpool zu erzeugen, wird durch das Spektrometer gewonnene Messwerte oft sättigen. Bei 2104 werden einige Wellenlängen identifiziert, die den optischen Emissionen der Energiequelle entsprechen und durch das Spektrometer aufgezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen werden diese Wellenlängen bestimmt, indem alle Wellenlängen genommen werden, bei denen die gemessene Intensität einen vorbestimmten Intensitätsschwellenwert übersteigt. Nachdem diese Wellenlängen bestimmt wurden, kann dem Spektrometer ein Bandpassfilter hinzugefügt werden, der verhindert, dass optische Emissionen der Energiequelle von dem Spektrometer aufgenommen oder erfasst werden. Nachdem das Bandpassfilter zu dem Spektrometer hinzugefügt wurde, können durch das Spektrometer neue Messwerte aufgenommen werden. Da nun das Spektrometer nicht mehr mit optischen Emissionen von der Energiequelle gesättigt ist, können Wellenlängen in einem Bereich identifiziert werden, über den sich die Schwarzkörperstrahlungskurve erstreckt. Bei 2106 können die Spektrometerdaten isoliert werden, die der identifizierten Schwarzkörperstrahlungskurve entsprechen. Bei 2108 können spektrale Charakteristiken innerhalb der Schwarzkörperstrahlungskurven identifiziert werden. Diese spektralen Charakteristiken können Unregelmäßigkeiten, wie etwa steile Peaks oder Kanten sein, die von der Gestalt der Schwarzkörperkurve stark abweichen und die durch verschiedene Materialeigenschaften des Metallpulvers verursacht werden. Bei einem optionalen Schritt 2110 wird eine Wellenlänge identifiziert, die einem Peak der Schwarzkörperstrahlungskurve für eine typische Betriebstemperatur entspricht. Abhängig von der Schwarzkörperkurve kann eine Trendlinie erzeugt werden, um bei der Identifizierung des Peaks zu helfen. Die Identifizierung des Peaks der Schwarzkörperkurve bei einer bestimmten Betriebstemperatur kann hilfreich sein, wenn ein Benutzer wünscht, Wellenlängenpaare auszuwählen, die auf entgegengesetzten Seiten der Schwarzkörperkurve liegen.
21 umfasst 2112, welches die Auswahl von Wellenlängenpaaren beschreibt, die die spektralen Charakteristiken und/oder spektralen Peaks vermeiden, die im Zusammenhang mit der Schwarzkörperstrahlungskurve stehen. Ausgewählte Wellenlängenpaare können 10 nm Breite aufweisen. In Ausführungsformen, bei denen es gewünscht ist, die Wellenlängenpaare an entgegengesetzten Seiten der Schwarzkörperkurve anzuordnen, weist die erste Wellenlänge des Wellenlängenpaars eine Wellenlänge auf, die kürzer ist als die Wellenlänge, die dem Peak der Schwarzkörperkurve entspricht, und eine zweite Wellenlänge des Wellenlängenpaars ist länger als die Wellenlänge, die dem Peak der Schwarzkörperkurve entspricht. Während einzelne Wellenlängen verwendet werden können, um jede Wellenlänge des Wellenlängenpaars zu identifizieren, so haben diese Paare typischerweise die Gestalt eines schmalen Wellenlängenbereichs mit einer Breite zwischen 0,5 nm und 10 nm. Bei 2114 sind zwei Fotodetektoren, die Fotodioden zeigen können, mit Notch-Filtern konfiguriert, die die Erfassung der optischen Sensoren auf die Wellenlängen eines der Wellenlängenpaare beschränken. Bei 2116 können die Fotodioden kalibriert und/oder balanciert werden, so dass sie einander entsprechende Antwortprofile aufweisen. Die Kalibrierung kann das Messen der Leistungsfähigkeit bei verschiedenen Testoperationen umfassen, um zu bestätigen, dass die Verhältnisse der Intensitäten der Sensorwerte, die durch die zwei Sensoren aufgenommen werden, mit erwarteten Werten übereinstimmen. Bei 2118 sind die zwei Sensoren dazu konfiguriert, ein additives Fertigungsverfahren in Echtzeit zu überwachen und zu charakterisieren. Ein Prozessor, der dafür verantwortlich ist, Einstellungen des additiven Herstellungsverfahrens zu ändern, kann dazu konfiguriert sein, diese Einstellungen auf unerwartete Änderungen in dem Verhältnis der Intensitäten von den zwei optischen Sensoren einzustellen. Beispielsweise kann das Verhältnis der Intensitäten oder der natürliche Logarithmus des Verhältnisses der Intensitäten als eine Verfolgungsmetrik für ein rückgekoppeltes Steuerungssystem verwendet werden, ähnlich wie das in 16 gezeigte System. Die in der Beschreibung zu den 18A bis 21 diskutierte Charakterisierung mit zwei Wellenlängen kann für jedes in anderen Teilen dieser Anmeldung beschriebene Verfahren verwendet werden.
Das in 21 beschriebene Kalibrierungsverfahren wird im Allgemeinen immer dann verwendet, wenn sich die Art oder die Eigenschaft des verwendeten Pulvers ändert. Selbst das Pulver eines gleichen Herstellers kann sich mit der Zeit ändern, was dazu führt, dass man ein Pulver erhält, das sich hinsichtlich seiner Zusammensetzung leicht ändert. Variationen in der Zusammensetzung können zu zusätzlichen spektralen Merkmalen und Peaks führen, die wiederum dazu führen, dass eine Wellenlänge oder beide Wellenlängen des Paars von Wellenlängen verschoben werden müssen, um genaue Temperaturdaten zu erzeugen.
Die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Implementierungen oder Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen können separat oder in jedweder Kombination verwendet werden. Diverse Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen können durch Software, Hardware oder eine Kombination von Hardware und Software implementiert werden. Die beschriebenen Ausführungsformen können auch als Computer-lesbarer Code auf einem Computerlesbaren Medium zum Steuern von Fertigungsoperationen, oder als Computer-lesbarer Code auf einem Computer-lesbaren Medium zum Steuern einer Fertigungsstraße verkörpert sein. Das Computer-lesbare Medium ist jegliche Datenspeicher-Vorrichtung, die Daten speichern kann, die anschließend von einem Computersystem gelesen werden können. Beispiele von Computer-lesbaren Medien beinhalten Nur-Lese-Speicher (Read-only memory, ROM), Zugriffsspeicher (randomaccess memory, RAM), CD-ROMs, HDDs, DVDs, Magnetband und optische Datenspeichergeräte. Das Computer-lesbare Medium kann auch über Netzwerkverbundene Computersysteme verteilt sein, so dass der Computer-lesbare Code in verteilter Form gespeichert und ausgeführt wird.
Die voranstehende Beschreibung verwendet, zum Zweck der Erläuterung, eine spezifische Nomenklatur, um ein gründliches Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen bereitzustellen. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass die spezifischen Details nicht erforderlich sind, um die beschriebenen Ausführungsformen zu praktizieren. Somit sind die voranstehenden Beschreibungen spezifischer Ausführungsformen zum Zweck der Illustration und Beschreibung gedacht. Sie sind nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein, oder die beschriebenen Ausführungsformen auf die genauen, offenbarten Formen zu beschränken. Der Fachmann wird erkennen, dass viele Modifikationen und Variationen der obigen Lehre möglich sind.

Claims

Additives Fertigungsverfahren, umfassend: Identifizieren spektraler Peaks, die Materialeigenschaften einer Pulvermenge zugeordnet sind; Auswählen einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge, wobei die ersten Wellenlänge und die zweite Wellenlänge versetzt zu den identifizierten spektralen Peaks gewählt sind; Erzeugen einer Mehrzahl von Scans (1510) einer Energiequelle (154) über eine Schicht der Pulvermenge, die auf einer Aufbauebene (1504, 2005) während eines additiven Fertigungsbetriebs angeordnet ist; Messen einer von der Aufbauebene (1504,2005) bei der ersten Wellenlänge abgestrahlten Energiemenge; Messen einer von der Aufbauebene (1504,2005) bei der zweiten Wellenlänge abgestrahlten Energiemenge; Bestimmen von Temperaturvariationen einer von der Mehrzahl von Scans (1510) überstrichenen Fläche der Aufbauebene (1504, 2005) basierend auf einem Verhältnis der bei der ersten Wellenlänge abgestrahlten Energie zu der bei der zweiten Wellenlänge abgestrahlten Energie; Bestimmen, dass die Temperaturvariationen außerhalb eines Grenzwertebereichs liegen; und danach, Anpassen nachfolgender Scans (1510) der Energiequelle (154) über die oder nahe der Fläche der Aufbauebene (1504, 2005).
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die von der Aufbauebene (1504, 2005) bei der ersten Wellenlänge abgestrahlte Energiemenge von einem optischen Sensor (2009) gemessen wird, der Wellenlängen innerhalb von 5 nm um die erste Wellenlänge überwacht.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 2, wobei der optische Sensor (2009) eine Fotodiode, ein Pyrometer und/oder einen abbildenden Sensor umfasst.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Bestimmen der überstrichenen Fläche der Aufbauebene (2005) durch: Bestimmen eines Startpunktes eines ersten Scans der mehreren Scans (1510); Bestimmen eines Endpunktes des ersten Scans; und Bestimmen der Länge des ersten Scans durch Berechnen einer Entfernung zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Übertragen eines einem Prozessparameter zugeordneten Steuersignals, wenn die Temperaturvariationen außerhalb des Grenzwertebereichs liegen.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Energiequelle (154) einem Laserstrahl und/oder einem Elektronenstrahl entspricht.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Zuordnen einer thermischen Energiedichte zu Orten innerhalb eines Teils, das durch das additive Fertigungsverfahren gebildet wird, durch: Empfangen von Energiequellenbetriebssignaldaten, die einen Pfad der Energiequelle (154) über die Aufbauebene (1504, 2005) angebenden; und Bestimmen eines Ortes jedes der Mehrzahl von Scans (1510) unter Verwendung der Energiequellenbetriebssignaldaten.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Empfangen von mit der Energiequelle (154) verknüpften Positionsdaten.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Empfangen von Energiequellenbetriebssignaldaten, wobei die Energiequellenbetriebssignaldaten angeben, wann die Energiequelle (154) angeschaltet wird und wann die Energiequelle (154) abgeschaltet wird.
Additives Fertigungsverfahren, umfassend: Identifizieren spektraler Peaks, die Materialeigenschaften einer Pulvermenge zugeordnet sind; Auswählen einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge versetzt zu den identifizierten spektralen Peaks gewählt sind; Erzeugen einer Mehrzahl von Scans einer Energiequelle (154) über eine Schicht der Pulvermenge auf einer Aufbauebene (1504, 2005); Erzeugen von Sensorwerten während jeder der Mehrzahl von Scans (1510) unter Verwendung eines optischen Erfassungssystems (2009), das die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge überwacht; Bestimmen von Temperaturvariationen in der Aufbauebene (1504, 2005) während der Mehrzahl von Scans (1510) unter Verwendung eines Verhältnisses der bei der ersten Wellenlänge gesammelten Sensorwerte zu den bei der zweiten Wellenlänge gesammelten Sensorwerten; Bestimmen, ob die Temperaturvariationen außerhalb eines Grenzwertebereichs liegen; und danach, Anpassen einer Ausgabe der Energiequelle (154).
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, wobei das Verhältnis der Sensorwerte der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge dazu verwendet wird, eine absolute Temperatur eines Bereichs der Schicht der Pulvermenge zu bestimmen.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, wobei die Energiequelle (154) ein Laser ist, der dazu konfiguriert ist, Licht auszugeben, das eine Laserwellenlänge aufweist, und wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge nicht mit der Laserwellenlänge überlappen.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, wobei ein Bestimmen eines die mehreren Scans (1510) beinhaltenden Gitterbereichs (1512-1 - 1512-3) umfasst: Empfangen von einen Pfad der Energiequelle (154) über die Aufbauebene (1504, 2005) angebenden Energiequellenbetriebssignaldaten; und Definieren der Position, Gestalt und Größe des Gitterbereichs (1512-1 - 1512-3) basierend auf den Energiequellenbetriebssignaldaten.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 13, wobei die Energiequellenbetriebssignaldaten einen Abstand zwischen zwei oder mehr Scans der Mehrzahl von Scans (1510) umfassen.
Additives Fertigungsverfahren, umfassend: Identifizieren spektraler Peaks, die Materialeigenschaften einer Pulvermenge zugeordnet sind; Auswählen einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge versetzt zu den identifizierten spektralen Peaks gewählt sind; Erzeugen einer Mehrzahl von Scans (1510) einer Energiequelle (154) über eine Pulverschicht auf einer Aufbauebene (1504, 2005); Erzeugen von Sensorwerten während jedes der Mehrzahl von Scans (1510) unter Verwendung eines optischen Erfassungssystems (2009), das die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge während der Mehrzahl von Scans (1510) überwacht; für jeden der Mehrzahl von Scans (1510), Zuordnen von Teilen der Sensorwerte zu einem bestimmten Bereich einer Mehrzahl von Bereichen der Aufbauebene (1504, 2005); für jeden der mehreren Bereiche (1512-1 - 1512-3): Charakterisieren von Temperaturvariationen innerhalb des Bereichs basierend auf einem Verhältnis der bei der ersten Wellenlänge gewonnenen Sensorwerte zu den bei der zweiten Wellenlänge gewonnenen Sensorwerten; Bestimmen, dass die Temperaturvariationen, die einer oder mehreren Bereichen zugeordnet sind, außerhalb eines Grenzwertebereichs liegen; und danach, Anpassen einer Ausgabe der Energiequelle (154).
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Wellenlänge größer ist als eine Wellenlänge, die einem Peak einer Schwarzkörper-Strahlungskurve zugeordnet ist, die der Pulvermenge für eine Betriebstemperatur zugeordnet ist, die dem additiven Fertigungsverfahren zugeordnet ist, und die zweite Wellenlänge kleiner als die Wellenlänge ist, die dem Peak der Schwarzkörper-Strahlungskurve zugeordnet ist.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 16, wobei ein Verhältnis einer Intensität der ersten Wellenlänge zu einer Intensität der zweiten Wellenlänge mit einer Temperatur des durch die Energiequelle (154) erzeugten Schmelzpools (1406 - 1418) zunimmt.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 15, wobei die Mehrzahl von Bereichen (1512-1 - 1512-3) in einem Gitter in der Aufbauebene (1504) angeordnet sind.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 18, wobei die Aufbauebene (1504) durch eine Fläche gekennzeichnet ist, die gleich einer Fläche des Gitters ist.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 18, wobei die Bereiche (1512-1 - 1512-3) gleichmäßig über die Aufbauebene (1504) verteilt sind.