DE112019000521T5

DE112019000521T5 - Fotodetektorenfeld für additive Fertigungsvorgänge

Info

Publication number: DE112019000521T5
Application number: DE112019000521.9T
Authority: DE
Inventors: R. Bruce Madigan; Mark J. Cola; Scott Betts; Darren Beckett; Alberto M. Castro; Lars Jacquemetton; Martin Piltch
Original assignee: Sigma Labs Inc
Current assignee: Sigma Additive Solutions Inc
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: US20190255614A1; US11260456B2; CN112004635A; US20220111444A1; US20210046546A1; US10786850B2; CN114749789A; DE112019000521B4; CN112004635B; WO2019165118A1

Abstract

Die Offenbarung beschreibt ein additives Fertigungssystem, welches eine Aufbauebene umfasst, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist. Mehrere Energiequellen können oberhalb der Aufbauebene positioniert und dazu konfiguriert sein, Energie in den ersten und den zweiten Bereich der Aufbauebene zu richten. Das System umfasst optische Sensoren, die dazu konfiguriert sind, von den Energiequellen abgestrahlte Energie zu überwachen. Ein dem additiven Fertigungssystem zugeordneter Prozessor ist dazu konfiguriert, die Sensorausgaben anzupassen, wenn ein Abstand zwischen den Energiequellen klein wird.

Description

QUER-VERWEIS ZU ANDEREN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Prioritäten aus der U.S. Provisional Patentanmeldung Nr. 62/633,496 , eingereicht am 21. Februar 2018, der U.S. Provisional Patentanmeldung Nr. 62/643,457 , eingereicht am 15. März 2018, und der U.S. Provisional Patentanmeldung Nr. 62/633,487 , eingereicht am 21. Februar 2018.
HINTERGRUND
Additives Fertigen oder der sequenzielle Zusammenbau oder die sequenzielle Konstruktion eines Teils durch die Kombination von Materialhinzufügung und beaufschlagter Energie ist vielfältig und existiert in vielen verschiedenen Implementierungen und Ausführungen. Additives Fertigen kann ausgeführt werden, indem eine Vielzahl von Prozessen verwendet werden, die die Bildung eines dreidimensionalen Teils praktisch jeglicher Gestalt beinhalten. Mehrere Prozesse haben das schichtweise Sintern, Auswerten oder Schmelzen flüssigen, pulverförmigen oder granularen Rohmaterials unter Verwendung von ultraviolettem Licht, Hochleistungslasern oder Elektronenstrahlen gemeinsam. Unglücklicherweise sind etablierte Prozesse zum Bestimmen einer Qualität eines entstandenen Teils, das auf diese Weise hergestellt wurde, begrenzt. Herkömmliche Qualitätssicherungstests beinhalten im Allgemeinen die Zerstörung des Teils. Während das zerstörende Testen zur Validierung der Qualität eines Teils etabliert ist, da es eine eingehende Untersuchung verschiedener interner Bereiche des Teils erlaubt, können solche Tests aus offensichtlichen Gründen nicht auf Teile der Produktion angewendet werden. Folglich ist es wünschenswert, die Integrität eines durch additive Fertigung hergestellten Teils störungsfrei messen zu können.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung beschreibt verschiedene Ausführungsformen, die die Verwendung mehrerer Sensorvorrichtungen betreffen, die einen additiven Herstellungsvorgang gemeinsam überwachen.
Durch Anordnen mehrerer Fotodetektoren um einen zentralen Bereich eines additiven Fertigungssystems können die Fotodetektoren, die Fotodioden, Fototransistoren oder Fotowiderstände sein können, dazu konfiguriert werden, eine Aufbauebene des additiven Fertigungssystems gemeinsam zu überwachen. Während viele verschiedene Sensorkonfigurationen möglich sind, beschreibt diese Offenbarung eine Sensoranordnung, die zwei oder mehr radial verteilte Sensorvorrichtungen umfasst. Die Verwendung mehrerer Sensorvorrichtungen ermöglicht Redundanz und erlaubt es, höhere Grade an Genauigkeit zu erhalten. Verschiedene Steuerverfahren können verwendet werden, um Unterschiede hinsichtlich Abstand und Winkel zwischen der Sensoranordnung und erhitzten Bereichen der Aufbauebene zu kompensieren.
Zusätzliche Ausführungsformen werden beschrieben, welche die Verwendung von sowohl auf der Achse und abseits der Achse angeordneten optischen Sensoren umfassen, um additive Fertigungsmaschinen mit mehreren Energiequellen zu überwachen. Insbesondere werden verschiedene Konfigurationen und Verfahren erläutert, bei denen durch mehrere Energiequellen beaufschlagte Energie genau überwacht wird.
Ein Additives Fertigungssystem ist beschrieben und umfasst: eine Aufbauebene, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, der mit dem ersten Bereich wenigstens teilweise überlappt; eine erste Energiequellenanordnung, welche umfasst: eine erste Energiequelle, die dazu konfiguriert ist, Energie entlang einem ersten Pfad in dem ersten Bereich der Aufbauebene zu richten; und einen ersten optischen Sensor mit einem ersten Sensor-Bildfeld, der dazu konfiguriert ist, dem ersten Pfad zu folgen und von der Aufbauebene abgestrahlte Energie zu überwachen; eine zweite Energiequellen Anordnung, welche umfasst: eine zweite Energiequelle, die dazu konfiguriert ist, Energie entlang einem zweiten Pfad in dem zweiten Bereich der Aufbauebene zu richten; und einen zweiten optischen Sensor mit einem zweiten Sensor-Bildfeld, der dazu konfiguriert ist, dem zweiten Pfad zu folgen und von der Aufbauebene abgestrahlte Energie zu überwachen; und einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors anzupassen, wenn ein Abstand zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad unter einen Grenzabstand abfällt.
Ein additives Fertigungsverfahren umfasst: Scannen einer ersten Energiequelle entlang eines ersten Pfads, der eine Pulverschicht durchläuft, die auf einer Aufbauebene angeordnet ist; Überwachen einer ersten Energiemenge, die von der Pulverschicht abgestrahlt wird, unter Verwendung eines ersten optischen Sensors, der ein erstes Sensor-Bildfeld aufweist, das dem ersten Pfad folgt; Scannen einer zweiten Energiequelle entlang eines zweiten Pfads, der die Pulverschicht durchläuft; Überwachen einer zweiten Energiemenge, die von der Pulverschicht abgestrahlt wird, unter Verwendung eines zweiten optischen Sensors, der ein zweites Sensor-Bildfeld aufweist, das dem zweiten Pfad folgt; Anpassen einer Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors in Übereinstimmung mit einem Abstand zwischen dem ersten Sensor-Bildfeld und dem zweiten Sensor-Bildfeld.
Ein additives Fertigungsverfahren wird offenbart, welches umfasst: Scannen einer ersten Energiequelle entlang eines ersten Pfads, der eine Pulverschicht durchläuft, die auf einer Aufbauebene angeordnet ist; Überwachen einer ersten Energiemenge, die von der Pulverschicht abgestrahlt wird, unter Verwendung eines ersten optischen Sensors, der ein erstes Sensor-Bildfeld aufweist, das wenigstens einen Teil des ersten Pfads enthält; Scannen einer zweiten Energiequelle entlang eines zweiten Pfads, der die Pulverschicht durchläuft; Überwachen einer zweiten Energiemenge, die von der Pulverschicht abgestrahlt wird, unter Verwendung eines zweiten optischen Sensors, der ein zweites Sensor-Bildfeld aufweist, das wenigstens einen Teil des zweiten Pfads enthält; Anpassen einer Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors in Übereinstimmung mit einem Abstand zwischen der ersten scannenden Energiequelle und der zweiten scannenden Energiequelle.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, welche die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Figurenliste
Die Offenbarung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich, wobei einander entsprechende Bezugszeichen einander entsprechende strukturelle Elemente bezeichnen:

1 zeigt ein Prozessüberwachungssystem mit mehreren Sensoren, bei dem eine Anzahl von Sensoren Information über einen gleichen optischen Weg erhält;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung für ein additives Fertigungssystem, welches mehrere Sensorvorrichtungen umfasst, die um einen Trägerring herum angeordnet sind;
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften additiven Herstell ungssystems;
4A zeigt, wie ein additives Herstellungssystem eine einzige Aufbauebene umfasst, die groß genug ist, um mehrere Energiequellen und zugeordnete Sensoranordnungen zu ermöglichen;
4B zeigt eine Seitenansicht eines additiven Fertigungssystems;
5A bis 5C zeigen eine Draufsicht einer Aufbauebene, und sie sind schattiert, um Variationen von Signalwerten zu zeigen, die durch drei Sensoren einer Sensoranordnung aufgenommen werden, die in einer Konfiguration ähnlich der Konfiguration der 2 angeordnet sind;
5D bis 5G gehen zeigen jeweils einen Konturgraphen, der die Intensität von Licht zeigt, die von der Aufbauebene emittiert wird;
6 zeigt eine Draufsicht eines alternativen additiven Fertigungssystems, das Sensorvorrichtungen umfasst, die direkt hin zur Aufbauebene orientiert sind;
7A zeigt eine beispielhafte Sensorvorrichtung mit elliptischer Blende;
7B zeigt, wie elliptische Blenden in der Lage sind, Licht zu blockieren, das von außerhalb der Aufbauebene stammt;
7C zeigt eine Vorderansicht einer Sensorvorrichtungsoptik, die durch eine Maske bedeckt ist, die einen Teil einer zu der Optik führenden Eingangsöffnung abdeckt;
8A bis 8B zeigen, wie Sensorwerte von zwei Fotodioden in Abhängigkeit von einem Winkel zwischen den Fotodioden und der Lichtquelle variieren;
9 zeigt ein Überblicksflussdiagramm einer Prozesssteuerung;
10 zeigt einen Prozess, bei dem von einem optischen Sensor, wie etwa einem nicht abbildenden Fotodetektor, aufgenommene Daten verarbeitet werden können, um einen Aufbauprozess bei additiver Fertigung zu charakterisieren;
11A bis 11D zeigen Darstellungen, die zeigen, wie mehrere Scans zu der Energie beitragen, die bei einzelnen Gitterbereichen eingebracht wird;
12A bis 12F zeigen, wie ein Gitter dynamisch erzeugt werden kann, um einen additiven Fertigungsvorgang zu charakterisieren und zu steuern;
13 zeigt ein Beispiel einer Regelung mit Rückkopplungsschleife, um eine Rückkopplungssteuerung eines additiven Fertigungsvorgangs zu erstellen und aufrechtzuerhalten;
14A zeigt ein additives Fertigungssystem, das eine einzige Aufbauebene umfasst, die so bemessen ist, dass sie Energie von mehreren Energiequellen erhalten kann;
14B bis 14E zeigen verschiedene Abstände zwischen Lasern und Sensor-Bildfeldern für die in 14A gezeigte additive Fertigungsvorrichtung;
15A zeigt einen Graphen, der eine Wärmeverteilung zeigt, die von zwei verschiedenen Sensor-Bildfeldern gemäß der in 14B gezeigten Konfiguration überwacht wird;
15B zeigt einen Graphen, der eine Wärmeverteilung zeigt, die von zwei verschiedenen Sensor-Bildfeldern gemäß der in 14C gezeigten Konfiguration überwacht wird;
15C zeigt einen Graphen, der überlappende Sensor-Bildfelder zeigt, bei denen beide Energiequellen innerhalb beider Sensor-Bildfelder liegen; und
15D zeigt einen Graphen, der vollständig überlappende Sensor-Bildfelder zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Repräsentative Anwendungen der Verfahren und Geräte gemäß der vorliegenden Anmeldung werden in diesem Abschnitt beschrieben. Diese Beispiele werden nur angegeben, um diese in einen Bezug zu setzen und beim Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen zu helfen. Der Fachmann wird deshalb erkennen, dass die beschriebenen Ausführungsformen umgesetzt werden können, ohne einige oder sämtliche dieser besonderen Details zu nutzen. Bei manchen Beispielen wurden allgemein bekannte Prozessschritte nicht im Detail beschrieben, um den Blick auf die beschriebenen Ausführungsformen nicht zu verstellen. Andere Anwendungen sind ebenso möglich, so dass die folgenden Beispiele nicht als beschränkend aufzufassen sind.
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beschreibung bilden und in denen spezielle Ausführungsformen in Übereinstimmung mit den beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft beschrieben sind. Obwohl diese Ausführungsformen ausreichend detailliert beschrieben sind, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die beschriebenen Ausführungsformen auszuführen, ist klar, dass diese Beispiele nicht beschränkend sind, so dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und Änderungen durchgeführt werden können, ohne von der Idee und dem Umfang der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
Eine Sensorvorrichtung, welche in Form eines Fotodetektors vorliegen kann, die dazu konfiguriert ist, eine additive Fertigung, einen Schmelzvorgang oder einen Schneidvorgang aus einer festen Position heraus zu überwachen, kann gewisse Wärmeemissionen übersehen, welche während eines Betriebs auftreten, und dies aus vielerlei Gründen, welche sich ändernde Laserscanmuster, Teilegeometrie, Teileanordnungen, inkonsistenten Sensorbetrieb und Sensorausfälle umfassen. Die Teilegeometrie kann dem Betrieb mit einem einzigen Sensor abträglich sein, wenn komplexe Teile hergestellt werden, die in eine Richtung eine größere Fläche erhitzten Materials exponieren als in eine andere Richtung. Diese Art von Geometrie kann dazu führen, dass ein Intensitätswert die von einem einzigen Sensor detektierte Wärme überschätzt oder unterschätzt. Wenn zudem eine Konfiguration mit einem einzigen Sensor nur während einer Sekunde oder mehr nicht arbeitet, können Temperaturausreißer gänzlich übersehen werden, was dazu führt, dass das Teil außerhalb der Spezifikation liegt, ohne dass der Hersteller davon Kenntnis hat. Wenn Teile hergestellt werden, die zur Teilezertifizierung strenge Aufbauregeln einhalten müssen, kann ein vorübergehender Ausfall des einzigen Sensors zur Disqualifizierung des Teils führen.
Aus den voran genannten Gründen kann das Sammeln von Sensordaten von mehreren Sensorvorrichtungen, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind, dabei helfen, die Genauigkeit zu verbessern. Um mehrere Sensorvorrichtungen einzubeziehen, ohne zusätzliche Fehlerquellen einzuführen, können die Sensoren radial um einen zentralen Bereich der Aufbauebene verteilt angeordnet sein. Das Verteilen der Sensoren auf diese Weise verringert die Variationen hinsichtlich des Abstands zwischen den verschiedenen Sensorvorrichtungen und verschiedenen Positionen eines von einer Energiequelle emittierten Energiestrahls wenn dieser schnell über die Aufbauebene scannt. Die den Energiestrahl emittierende Energiequelle kann vielfältig ausgestaltet sein und einen Laser, einen Elektronenstrahl oder einen Plasmabogen umfassen.
In einigen Ausführungsformen können Variationen der Sensorwerte aufgrund von Unterschieden hinsichtlich Abstand und/oder Winkel zwischen den Sensorvorrichtungen und Orten auf der Aufbauebene, die die Wärme erhalten, aufgelöst werden, indem die Verstärkung des Sensors in Übereinstimmung mit Abstand und Winkel dynamisch angepasst wird. Alternativ oder ergänzend zur Änderung der Verstärkung, können Sensorwerte automatisch basierend auf einem geschätzten Abstand zwischen dem Sensor und den Hitze emittierenden Ort erhöht oder erniedrigt werden. In einigen Ausführungsformen können Fotomultiplierröhren verwendet werden, wenn die Intensität der von der Aufbauebene emittierten Wärme unterhalb der Empfindlichkeit eines herkömmlichen Fotoempfängers liegt. Ein Fotoempfänger kann im Allgemeinen Vorrichtungen, wie etwa Fotodioden, Pyrometer, Fototransistoren und Fotowiderstände umfassen.
Diese und andere Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die hier in Bezug auf diese Figuren getätigte Beschreibung nur erläuternden Zwecken dient und nicht als einschränkend verstanden werden sollte.
1 zeigt ein Prozessüberwachungssystem mit mehreren Sensoren, bei welchen einige Sensoren gleiche Information über den gleichen optischen Weg erhalten. Es ist lehrreich, genau zu untersuchen, auf welche Weise die Daten gewonnen werden können. In 1 ist die starke Energiequelle 100 in diesem speziellen Beispiel ein Laser, wobei die Energiequelle 100 auch in Gestalt eines Elektronenstrahls oder einer anderen leistungsfähigen Energiequelle vorliegen kann. Der durch die Energiequelle 100 emittierte Strahl 101 tritt an dem Laserkopf aus und durchläuft eine teilweise reflektierende Optik 102. Diese Optik 102 ist so ausgelegt, dass sie bei der spezifischen Wellenlänge, bei der der Laser arbeitet, im Wesentlichen vollständig durchlässig ist und bei anderen optischen Wellenlängen reflektierend ist. Die Laserwellenlänge wird im Allgemeinen Infrarot oder Nahinfrarot sein oder typischerweise Wellenlängen von 1000 nm oder mehr aufweisen. Der Laser kann einen Scankopf 103 umfassen, der aus sich in x- und y-Richtung positionierenden Galvanometern und einer Fokussierlinse, wie etwa einer F-Theta-Linse umfasst. Der Strahl 101 wird deshalb fokussiert und trifft das Werkstück 104 an einem gegebenen Ort 105, wodurch an dem Werkstück 104 ein geschmolzener Bereich erzeugt wird. Der erhitzte Bereich führt dazu, dass optische Strahlung 106 isotrop und gleichförmig über einen großen Raumwinkelbereich emittiert wird. Ein Teil dieser Strahlung 106 wird durch den Scankopf 103 zurücklaufen und durch die teilweise reflektierende Optik 102 reflektiert werden.
Dieser reflektierte optische Strahl 107 durchläuft dann eine Reihe von analytischen Instrumenten. Ein Strahlteiler 108 sendet einen Teil des Strahls zu einer Fotodiode 109. Während die Fotodiode 109 auch durch andere Sensorvorrichtungen, wie etwa ein Pyrometer, einen Fotowiderstand oder Fototransistor ersetzt werden kann, ist eine Fotodiode für beispielhafte Zwecke bevorzugt. Die Fotodiode 109 kann dazu in der Lage sein, einen Bereich von Frequenzen mit einer ausreichenden Geschwindigkeit und Aufzeichnungsrate zu erfassen und mögliche Unregelmäßigkeiten zu detektieren, die während eines Abscheideprozesses auftreten können, wie beispielsweise plötzliche Abweichungen von einem mittleren Intensitätspegel. Der verbleibende Teil des reflektierten optischen Strahls 107 gelangt dann an einen weiteren Strahlteiler 110, und ein Teil dieses Strahls wird von einem Pyrometer 111 gesammelt. Das Pyrometer 111 kann dieses Signal über ein Zeitintervall integrieren, um dem derart gesammelten Licht eine Temperatur zuzuordnen. Das Signal sollte hinsichtlich der verschiedenen optischen Abschwächungen korrigiert werden, die durch die Strahlteilung aufgetreten sind, genauso wie die Korrektur für die entfernte Anordnung des geschmolzenen Bereichs 105 an dem Werkstück 104, die zu der optischen Emission 106 führt, von der ein Teil 107 gesammelt wurde. Schließlich wird der verbleibende Teil des reflektierten optischen Strahls 107 durch einen Spiegel 112 in einem abbildenden optischen Hochgeschwindigkeitssensor 113 gerichtet, der eine Kamera oder eine andere Art von linearem oder flächigem CCD-Array oder anderem abbildendem Feld bzw. Array sein kann. Dieser abbildende optische Sensor 113 nimmt ein eindimensionales oder zweidimensionales Bild auf, das mit der Größe des geschmolzenen Bereichs korreliert. Indem ein Sensor 113 mit relativ niedriger Auflösung verwendet wird, kann der Sensor 113 dazu konfiguriert sein, die Daten mit einer extrem hohen Frame-Rate aufzunehmen, so dass der Sensor 113 in der Lage ist, vorübergehende Temperaturabweichungen während eines Aufbauprozesses zu detektieren.
Zusätzlich zu den verschiedenen vorangehend beschriebenen Sensoren können ein oder mehrere Sensoren verwendet werden, um Messungen durchzuführen, die unabhängig von dem Referenzrahmen des Laserscanvorgangs sind. Diese Messung kann für Korrelationszwecke oder Kalibrierungszwecke verwendet werden. Beispielsweise misst in 1 ein stationäres Pyrometer unabhängig die Temperatur und stellt deshalb eine Kalibrierung für die durch das Pyrometer 111 gemachte Messung bereit. Das Bildfeld 115 des stationären Eulerschen Pyrometers 114 ist geeignet ausgewählt, so dass es mit der charakteristischen Dimension der geschmolzenen Zone 105 übereinstimmt, die an dem Werkstück 104 existiert, und sie wird durch den fokussierten Laserstrahl 101 an dem bestimmten Ort gebildet, an dem der Scankopf 103 den Strahl 101 verlagert und fokussiert hat.
Zusätzlich zu den vorgenannten Sensoren können zusätzliche Sensoren hinzugefügt werden, um die Messungen zu verbessern, die durch das Sensorsystem gewonnen werden. Die Vorrichtung 116 kann Teil eines Mechanismus sein, der Pulverschichten über einer oberen Fläche des Werkstücks 104 verteilt. Die Vorrichtung 116 kann einen Kontaktsensor 118 umfassen, der dazu konfiguriert ist, Unterbrechungen beim Verteilen des Pulvers, wie etwa Vibrationen oder Stöße, die häufig zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Pulvers führen. In einigen Ausführungsformen kann die Erfassung einer Vibration der Vorrichtung 116 dazu verwendet werden, Änderungen der Pulverschicht genau vorherzusagen. Das dargestellte Erfassungssystem kann auch einen akustischen Sensor 120 umfassen. Der akustische Sensor 120 kann an einer Seite der Aufbauplattform angeordnet sein, so dass während des Aufbaus des Werkstücks 114 der akustische Sensor 120 dazu konfiguriert sein kann, auf die Bildung von Mikrobrüchen innerhalb des Werkstücks 104 zu lauschen. Der akustische Sensor 120 kann kalibriert werden, um verschiedene Eigenschaften von Mikrobrüchen innerhalb des Werkstücks 104 zu bestimmen. Mikrobrüche können viele Ursachen haben, insbesondere aber von ungeeigneten Kühlraten herrühren. 1 zeigt auch eine Fotodiode 122 mit einem Bildfeld 124, die dazu konfiguriert sein kann, Temperaturänderungen in im Wesentlichen jeden Bereich an der Oberseite des Werkstücks 104 zu detektieren. In einigen Ausführungsformen kann das Pyrometer 114 dazu konfiguriert sein, Kalibrierungsinformation für die Fotodiode 122 bereitzustellen, wodurch es der Fotodiode 122 ermöglicht wird, die Temperatur jedes Punkts an der Oberseite des Werkstücks 104 zu bestimmen.
2 zeigt eine Sensoranordnung 200 für ein additives Fertigungssystem, welches mehrere Sensorvorrichtungen 202 umfasst, die um einen Trägerring 204 herum verteilt sind. In einigen Ausführungsformen kann der Trägerring 204 einen Durchmesser von etwa 180 mm aufweisen. Diese Größe kann jedoch variieren, um an eine Größe und/oder Gestalt eines bestimmten additiven Fertigungssystems angepasst zu werden. Jede der Sensorvorrichtungen 202 kann in Gestalt eines Fotoempfängers vorliegen, der dazu konfiguriert ist, eine Intensität von Wärme zu überwachen, die während eines additiven Fertigungsverfahrens abgestrahlt wird. Die Sensorvorrichtungen 202 können Eingänge und Ausgänge 206 und 208 umfassen, um Betriebsbefehle zu empfangen und/oder Sensorwerte zu senden. Der Trägerring 204 kann mehrere Öffnungen 210 umfassen, um den Trägerring 204 an verschiedenen Komponenten zu befestigen. Die Befestigung des Trägerrings 204 verhindert, dass sich die Sensorvorrichtungen 202 während eines additiven Fertigungsbetriebs bewegen. In einigen Ausführungsformen können die Sensorvorrichtungen an dem Trägerring 204 auf eine Weise befestigt werden, die eine Änderung der Orientierung jeder Sensorvorrichtung 202 so ermöglicht, dass ein Bildfeld jeder Sensorvorrichtung 202 so eingestellt werden kann, dass die Bildfelder der Sensorvorrichtungen 202 ausgerichtet sind und im Wesentlichen einander überlappen. In einigen Ausführungsformen kann jede Sensorvorrichtung 202 eine einstellbare Optik 212 umfassen, die dazu konfiguriert ist, das Bildfeld zu begrenzen. Die einstellbare Optik 212 kann dabei hilfreich sein, die thermische Strahlung auf einem bestimmten Bereich der Aufbauebene zu begrenzen und die Bildfelder der Sensorvorrichtungen 202 zueinander ausgerichtet zu halten. In einigen Ausführungsformen kann jedes Bildfeld der Sensorvorrichtungen 202 auf den gleichen Punkt auf der Aufbauebene fokussiert sein, um eine Ausrichtung der Bildfelder zu erreichen. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere der Sensorvorrichtungen 202 dazu konfiguriert sein, mehrere Frequenzbereiche zu überwachen. Da sich die Sensoren 202 nicht wie die Energiequelle eine gleiche Optik teilen, kann der von den Sensorvorrichtungen 202 überwachte Bereich an Frequenzen optimiert werden, um Frequenzen im Infrarotbereich zu überwachen, die zwischen 1250 nm bis 1800 nm liegen. Dies kann hilfreich sein, da das gemeinsame Verwenden von Optiken mit der Energiequelle die gesammelten Frequenzen vorrangig auf das sichtbare Spektrum begrenzen könnte.
Obwohl die 2 nur drei Sensorvorrichtungen 202 zeigt, kann eine größere oder eine kleinere Zahl an Sensoren möglich sein. Beispielsweise könnten zwei Sensoren an aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Trägerrings 204 positioniert sein. Ähnlich kann eine größere Anzahl von Sensorvorrichtungen 202 in kleineren radialen Intervallen angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können zwei Sensoren dazu konfiguriert sein, verschiedene Frequenzbereiche zu überwachen. Durch vergleichen von Sensordaten, die von zwei oder mehr verschiedenen Lichtwellenlängen durch die zusammen angeordneten Sensoren gesammelt wurden, kann die absolute Temperatur eines erhitzten Bereichs an der Aufbauebene bestimmt werden, da der Vergleich es ermöglicht, Variationen in der Emissivität zu vernachlässigen. In einigen Ausführungsformen kann eine Sensorvorrichtung 202 zwei separate Sensoren innerhalb eines einzigen Gehäuses umfassen, was eine engere räumliche Anordnung der Sensoren ermöglicht. In einigen Ausführungsformen kann es auch nur einen Satz gemeinsam angeordneter Sensoren geben, die verschiedene Frequenzbereiche überwachen. Diese Art von Anordnung könnte es erlauben, die durch die gemeinsam angeordneten Sensoren identifizierte Temperatur zur Kalibrierung anderer Sensoren zu verwenden.
Der Trägerring 204 kann auch hinsichtlich seiner Gestalt variieren. Beispielsweise kann der Trägerring 204 in einer Konfiguration mit drei Sensoren eine dreieckige Gestalt aufweisen und in einigen Ausführungsformen die Gestalt eines gleichseitigen Dreiecks annehmen, um die Sensorvorrichtungen 202 mit Winkeln von genau 120° zwischen benachbarten Sensorvorrichtungen 202 zu verteilen. Ebenso kann der Trägerring 204 die Gestalt eines Quadrats annehmen, welches geeignet ist, vier Sensoren zu tragen, oder er kann eine polygonale oder symmetrische Gestalt annehmen, die eine im Wesentlichen regelmäßige radiale Verteilung von Sensorvorrichtungen 202 trägt. In einigen Ausführungsformen kann der Trägerring die Gestalt einer konkaven Trägerfläche annehmen, die die Anordnung von Sensorvorrichtungen 202 um einen Rand der konkaven Trägerfläche herum und/oder verteilt über die konkave Fläche ermöglichen. Auf diese Weise können die Sensorvorrichtungen 202 an leicht unterschiedlichen Höhen angeordnet werden, während eine feste Position von einem zentralen Ort an der Aufbauebene beibehalten wird.
3 zeigt ein beispielhaftes additives Fertigungssystem 300. Von einer Energiequelle 302 emittierte Energie kann auf eine Aufbauebene 304 gerichtet werden, und zwar über einen teilweise reflektierenden Spiegel 306 und eine steuerbare Optik 308. Der teilweise reflektierende Spiegel 306 kann dazu konfiguriert sein, einen von der Energiequelle 302 emittierten Energiestrahl 307 durch den Spiegel 306 hindurchtreten zu lassen, ohne dessen Energie wesentlich abzuschwächen. Die steuerbare Optik 308 kann konfiguriert sein, den durch die Energiequelle 302 emittierten Strahl schnell über die Aufbauebene 304 zu bewegen, um Werkstücke 310 zu erzeugen. Die Sensorvorrichtungen 202 der Sensoranordnung 200 können so positioniert und orientiert sein, dass alle Sensorvorrichtungen 202 ein Bildfeld 312 im Wesentlichen teilen, das an einer Position 314 zentriert ist. Von dem auf das Werkstück 310 treffenden Strahl abgestrahlte Wärme kann durch die Sensorvorrichtungen 202 und den Sensor 318 detektiert werden, wobei der Sensor 318 die abgestrahlte Wärme durch die steuernde Optik 308, den teilweise reflektierenden Spiegel 306 und den Spiegel 316 erhält. Man sollte erkennen, dass jeder an der Aufbauebene 304 durchgeführte additive Fertigungsvorgang durch die Sensorvorrichtungen 202 und/oder den Sensor 318 überwacht werden kann, und zwar abhängig von der Art und von Details der gewünschten Überwachung. In einigen Ausführungsformen kann ein Mittelwert von zwei einander nächsten Sensorwerten verwendet werden, wenn große Unterschiede in den Sensorwerten vorgefunden werden. In einigen Fällen können große Änderungen eines einzigen Sensors während oder nach einer Teileherstellung untersucht werden, da dies auf eine thermische Änderung hindeuten kann, die nur von einem Sensor wahrgenommen wird. Wenn ein Emissionsprofil gut bekannt ist, kann die Analyse auf nur einen einzigen Sensor oder einen geringen Teil der Sensoren beschränkt werden, wenn diese Sensoren die einem Werkstück zugeführte Menge an Energie mit hoher Wahrscheinlichkeit charakterisieren.
4A zeigt, wie ein additives Fertigungssystem eine einzige Aufbauebene 304 aufweisen kann, die groß genug ist, um mehrere Energiequellen 302 und zugeordnete Sensoranordnungen 200 ermöglichen kann. Den Sensorvorrichtungen 202 jeder Sensoranordnung 200 zugeordnete Optiken können das Bildfeld jeder der Sensorvorrichtungen 202 formen, um zu verhindern, dass von den Sensorvorrichtungen 202 dieser Sensoranordnung 200 Wärme detektiert wird, die von einem benachbarten Bildfeld 312 abgestrahlt wird. In einigen Ausführungsformen können die den Sensorvorrichtungen 202 zugeordneten Bildfelder 312 voneinander durch eine Lücke getrennt sein, die auch dabei hilft, dass Wärme von benachbarten Energiequellen 302 durch die falsche Sensoranordnung 200 gemessen wird. In einigen Ausführungsformen, in denen ein Bewegungsweg der von einer oder mehreren der Energiequellen 302 emittierten Energie bekannt ist und es einen Überlapp zwischen benachbarten Bildfeldern 312 gibt, kann die überlappende Abdeckung benachbarter Sensor-Bildfelder über die Zeit aufgelöst werden. Wenn beispielsweise eine Energiequelle innerhalb eines überlappenden Bereichs arbeitet, kann der Betrieb der anderen Energiequelle angehalten werden, um die Detektion mehrerer Energiequellen zu verhindern. In einigen Ausführungsformen können Sensoren von zwei oder mehreren verschiedenen Sensoranordnungen mit überlappenden Fußabdrücken 312 verwendet werden, um die Charakterisierung des Betriebs einer Energiequelle zu verbessern, die durch den überlappenden Bereich des Fußabdrucks 312 scannt. In einigen Ausführungsformen kann eine einzige Sensoranordnung 200 mehreren Energiequellen 302 zugeordnet sein. Bei einer solchen Konfiguration können verschiedene Verfahren zur Entflechtung verwendet werden.
4B zeigt eine Seitenansicht eines additiven Fertigungssystems 400. 4B zeigt insbesondere, wie Energie 402, die von einem Bereich 404 der Aufbauebene 304 emittiert wird, in der Lage ist, sowohl die Sensorvorrichtung 202 als auch den Sensor 318 zu erreichen. Da jedoch die Sensorvorrichtung 202-1 näher als die Sensorvorrichtung 202-2 und direkt über dem Bereich 404 liegt, können die Sensorwerte für die Sensorvorrichtung 202-1 größer sein als die Sensorvorrichtung 202-2. Dieser Variation kann auf vielerlei Weisen, die nachfolgend beschrieben werden, Rechnung getragen werden.
5A bis 5C zeigen eine Draufsicht auf eine Aufbauebene, die eine Anzahl von Werkstücken 502 enthält. Jede der Aufbauebenen ist schattiert, um Variationen von Signalwerten zu zeigen, die durch die drei Sensorvorrichtungen 202 und eine Sensoranordnung 200 aufgezeichnet werden, die in einer Konfiguration angeordnet sind, die der in 2 gezeigten Konfiguration ähnlich ist. 5A kann der Sensorvorrichtung 202-1 entsprechen, 5B kann der Sensorvorrichtung 202-2 entsprechen und 5C kann der Sensorvorrichtung 202-3 entsprechen. So wie es dargestellt ist, sind Sensorwerte, die von einer rechten Seite der Aufbauebene emittiert werden, in 5C wesentlich größer als in den 5A und 5B. Dies kann auf eine potentielles Problem bei dem Fertigungsverfahren hinweisen und kann daran liegen, dass die Sensorvorrichtungen 202-3 der rechten Seite der Aufbauebene näher ist als die anderen Sensorvorrichtungen, oder dass die rechte Seite der Aufbauebene von den Sensorvorrichtungen 202-1 und 202-2 teilweise abgedeckt ist. In einem solchen Fall kann eine genauere Analyse für Teile angebracht sein, die auf der rechten Seite der Aufbauebene aufgebaut werden.
5D bis 5G zeigen dreidimensionale Darstellungen eines weiteren Fertigungsvorgangs, wie er durch drei Fotodetektoren aufgezeichnet wird, die Intensitätsinformation sammeln. Die dargestellten Sensorwerte wurden gesammelt, während 36 verschiedene über die Aufbauebene verteilt angeordnete Teile gefertigt wurden. 5D kann einer Sensorvorrichtung 202-1 entsprechen, 5E kann der Sensorvorrichtung 202-2 entsprechen, und 5F kann der Sensorvorrichtung 202-3 entsprechen. Die 5D bis 5F zeigen, wie die verschiedenen Positionen der Sensoren dazu führen können, dass Teile der Aufbauebene, die dem Sensor näher sind, leicht erhöhte Werte haben. 5G zeigt Werte der Sensorvorrichtungen 202-1. 202-3 und 202-3, die gemittelt wurden. Die gemittelten Werte führen zu einer im Wesentlichen gleichförmigen Sensor Antwort über der Bildebene, was den Änderungen hinsichtlich der Position Rechnung trägt. In einigen Ausführungsformen können, wenn einzelne Werte von einem Sensor sich von denen anderer Sensoren wesentlich unterscheiden, wie Ausreißer für Zwecke der Echtzeitanalyse unberücksichtigt bleiben. In einer nachfolgenden Analyse können diese jedoch berücksichtigt werden.
6 zeigt eine Draufsicht einer alternativen additiven Fertigungsvorrichtung 600, die Sensorvorrichtungen 202 umfasst, die hin zu der Aufbauebene orientiert sind. Dies führt dazu, dass sich die Bildfelder 602-1, 602-2 und 602-3 über die Aufbauebene 304 in verschiedene Richtungen hinaus erstrecken. Wenn jedoch jeder Sensorvorrichtung 202 eine elliptische Blende hinzugefügt wird, kann ein Bild fällt der Sensorvorrichtungen 202 im Wesentlichen auf die Aufbauebene 304 beschränkt werden. Gestrichelten Linien 604 zeigen, wie die elliptischen blenden breite Bildfelder 602 auf eine Fläche verengen können, die sich bis knapp außerhalb der Aufbauebene 304 erstreckt. Auf diese Weise können Sensorvorrichtungen 202 unter einem Winkel orientiert sein, der senkrecht zur Aufbauebene 304 ist, ohne dafür empfindlich zu sein, Wärmesignaturen zu detektieren, die unter einem großen Abstand von der Bildebene 304 angeordnet sind. 6 zeigt auch eine zusätzliche Sensorvorrichtungen 606, die weiter abseits der Achse angeordnet ist und verschiedene Arten von Daten sammeln kann. Beispielsweise kann der Sensor 606 eine schnelle abbiegende Vorrichtung sein, die die Position eines durch die Energiequelle emittierten Strahls verfolgt, wenn dieser über die Aufbauebene 304 scannt.
7A zeigt eine beispielhafte Sensorvorrichtung 202 mit elliptischen Blenden 704. Elliptische Blenden 704 können dazu konfiguriert sein, Licht zu blockieren, das ansonsten von einer Optik 702 und einem abbildenden oder nicht abbildenden Sensor innerhalb der Sensorvorrichtung 202 empfangen werden würde. 7B zeigt, wie elliptische Blenden 704 Licht blockieren können, das von außerhalb der Aufbauebene stammt, während Licht, das von der Aufbauebene stammt, in die Optik 702 eintritt. In einigen Ausführungsformen kann die Länge der elliptischen Blenden 704 erhöht werden, um von den Wänden einer Aufbaukammer des additiven Fertigungssystems reflektiertes Licht zu unterdrücken. Während das Erhöhen der Länge der Blende die Menge an empfangenen Licht reduzieren kann, helfen die vergrößerten Blenden dabei, das empfangene Licht auf Werte zu begrenzen, die direkt von der Aufbauebene stammen, so dass die Genauigkeit der Sensorwerte verbessert wird.
7C zeigt eine Vorderansicht einer Optik 702, die mit einer Maske 706 bedeckt ist, die einen Teil einer Eingangsapertur abdeckt, die in die Optik 702 führt. Eine Öffnung 708 kann so bemessen und positioniert sein, dass sie mit einer Aufbauebene so übereinstimmt, dass nur das Licht, das von der Aufbauebene ausgeht, in der Lage ist, in die Optik 702 einzutreten. In einigen Ausführungsformen kann die Maske 706 ein einziges Teil sein, das auf das lichtempfangende Ende der Optik 702 aufgesteckt ist oder auf andere Weise mit diesem gekoppelt ist. In anderen Ausführungsformen kann die Maske 706 aus mehreren Streifen von Material 706-1-706-4 gebildet sein, die gemeinsam die Apertur 708 begrenzen. Die Materialstreifen 706-1 bis 706-4 sind mit rechteckiger Gestalt dargestellt, können jedoch andere Gestalten aufweisen. Ebenso kann die Öffnung 708 auch jede andere Gestalt aufweisen, die einem Bereich der Aufbauebene entspricht, der einer bestimmten Energiequelle zugeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann die Maske 706 in Verbindung mit den vorangehend erläuterten elliptischen Blendenkonfigurationen verwendet werden. Beispielsweise kann die Maske 706 an einem Ende einer Röhre angebracht sein, die sich von dem Ende der Optik 702 weg erstreckt, und eine Maske 706 kann über einem distalen Ende der Röhre angebracht sein.

8A bis 8B zeigen, wie Sensorwerte von zwei Fotodioden in Abhängigkeit von einem Winkel zwischen einer Sensorvorrichtung und Position von der Licht emittiert wird, variieren können. Bei 0°, wo der Sensor direkt auf die Lichtquelle gerichtet ist, sind die Sensorwerte viel größer als dann, wenn die Quelle unter 65° zu dem Sensor angeordnet ist. 8B zeigt, wie das Verhältnis zwischen Signalstärke und Winkel im Wesentlichen parabolisch ist und nur kleine Verminderungen der Signalstärke gegenüber Licht ermöglicht, das aus bis zu 30° bis 45° außerhalb der Achse ankommt. Tabelle 1

Fotodiode	Verstärkung	Spannungsantwort
A	10	0,111
	20	0,344
	30	1,08
	40	3,90
B	10	0,121
	20	0,365
	30	1,15
	40	3,60
C	10	0,122
	20	0,75
	30	1,18
	40	3,70
D	10	0,121
	20	0,365
	30	1,14
	40	3,60

Die obige Tabelle 1 zeigt, wie die Verstärkung verschiedener Sensoren angepasst werden kann, um Variationen der Signalstärke aufgrund von Abstand und Winkel zwischen der Energiequelle und einem bestimmten Sensor Rechnung zu tragen. In einigen Ausführungsformen kann die Sensorverstärkung dynamisch eingestellt werden, und zwar basierend auf einem Abstand und/oder einer Orientierung zwischen jeder Sensorvorrichtung und einem Bereich der Aufbauebene, der die Energie von der Energiequelle erhält. Auf diese Weise können die Sensorwerte für jede Sensorvorrichtung eine Anzahl von Sensorvorrichtungen konsistent gehalten werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der Echtzeitüberwachung eines additiven Fertigungsverfahrens verbessert wird. Eine Position der Energiequelle kann auf viele verschiedene Weisen bestimmt werden. Beispielsweise können Telemetriedaten von der steuerbaren Optik verwendet werden, um die Position der Energiequelle zu verfolgen, wenn sie über die Aufbauebene läuft. In einigen Fällen kann eine Position der Energiequelle bestimmt oder bestätigt werden, indem Triangulationsverfahren auf mehrere Sätze von Intensitätsdaten angewendet werden, die durch die Sensorvorrichtungen gesammelt werden. Eine schnelle abbildende Vorrichtung kann auch verwendet werden, um die Position der Energiequelle zu verfolgen, wenn sie über die Aufbauebene scannt.
Beispielhafte Prozesssteuerungsarten
Die folgenden drei Arten von Prozesssteuerung können bei den hier beschriebenen Prozessen verwendet werden. Erstens, Prozesseingriff oder Stoppen oder Unterbrechen eines Prozesses basierend auf einem oder mehreren kritischen Prozessmerkmalen, die sich außerhalb eines spezifizierten Bereichs bewegen. Zweitens, Inter-Layer-Prozesssteuerung, oder die Änderung von Prozessparametern zwischen Schichten in einem additiven Fertigungsprozess, basierend auf Messungen, die während der vorangehenden Schicht gemacht wurden, auf Qualitäts- oder Merkmalskennzahlen, die aus solchen Messungen berechnet werden, und einem Entscheidungsalgorithmus, der entscheidet, ob diese Merkmale innerhalb spezifizierter Bereiche liegen und, wenn dies nicht der Fall ist, wie Anpassungen an die Prozessparameter, wie etwa Energiequellenleistung und Bewegungsgeschwindigkeit, zu machen sind, um einen oder mehrere der Qualitätskennzahlen zurück in die spezifizierten Bereiche zu bringen. Die dritte Art von Prozesssteuerung, die verwendet werden kann, ist Intra-Layer oder Prozesssteuerung auf Scan-Ebene, bei der Leistung, Geschwindigkeit oder andere Prozessparameter geändert werden können, so dass bestimmte Qualitätskennzeichen oder Merkmale innerhalb spezifizierter Bereiche bleiben.
Die dritte Form von Prozesssteuerung ist die schnellste und benötigt die schnellste Regelschleife. Die erste Form von Prozesssteuerung kann als offener Steuerungskreis mit nur einem Ausgang betrachtet werden, das heißt der Prozess hält an, wenn Bedingungen erkannt werden, die zu weit von Normalbedingungen abdriften. Die zweite Form ist eine langsamere Form von Echtzeitsteuerung und passt Parameter nur schichtweise an.
9 zeigt ein Überblicksflussdiagramm einer Prozesssteuerung, welche die vorangehend diskutierten Prozessmerkmale verwendet. Dieses Diagramm zeigt den Prozessablauf für den Fall von Intra-Layer oder scanweiser Steuerung. Bei einer solchen Steuerung wird ein einzelner Scan durchgeführt, es werden Berechnungen durchgeführt und, wenn nötig, vor dem nächsten Scan Anpassungen gemacht. Dies wird deshalb als eine schnelle Steuerschleife gesehen, die Änderungen innerhalb 1 ms oder weniger durchführt. Bei 800 werden thermische Messungen unter Verwendung von einem oder mehreren Eulerschen Sensoren durchgeführt. In einigen Ausführungsformen werden die thermischen Messungen als Spannungsdaten erhalten. Bei 901 können die thermischen Messungen korrigiert werden, um eine wahre Temperatur wiederzugeben. Bei 902 werden Merkmale extrahiert und können Merkmale wie Energiedichte, Spitzentemperatur usw. umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Dies sind Merkmale, die eine metallurgische Aussagekraft für das Material und den gerade deponierten Fertigungsvorschritt aufweisen.
Dann wird bei 903 gesehen, ob diese Merkmale innerhalb vorgeschriebener Bereiche liegen oder nicht, von denen bekannt ist, dass sie einem normalen Prozessverhalten entsprechen, und von denen bekannt ist, dass sie akzeptable Teile erzeugen. Wenn die Antwort ja ist, dann hört der Prozess bei 904 mit dem nächsten Scan mit den gleichen Prozessvariablen bzw. Prozessparametern fortgesetzt. Man beachte, dass innerhalb einer einzigen Schicht eines additiv gefertigten Teils hunderte oder tausende von Scans sein können, und dass es tausende solcher Schichten pro Teil geben kann. Wenn das Ergebnis der in 903 gestellten Frage nein ist, dann wird bei 905 der Prozessablauf zu einer Entscheidung 906 geführt. Bei 906 wird eine Methodik angewandt, die eine Entscheidung basierend auf einer Größe und Richtung der beobachteten Abweichungen durchführen kann. Diese Entscheidungslogik kann ein Prozessmodell reduzierter Ordnung sein, oder sie kann eine Nachschlagetabelle oder Datenbank sein, oder sie kann ein heuristisches Schema, wie etwa ein neuronales Netzwerk sein, oder sie kann jegliche andere Art von algorithmischem System sein, das entscheidet, welche Prozessvariablen oder Prozessparameter geändert werden sollen, um wieviel und in welche Richtung (Zunahme oder Abnahme) sie geändert werden sollen. Beispielsweise kann die Änderung der Prozessvariablen oder Prozessparameter in Gestalt von Änderungen der Wärmeausgabeleistung der Energiequelle, der Bewegungsgeschwindigkeit und des Scanmusters vorliegen, welche die Menge an Energie ändern, die eine oder mehreren Schichten des Teils zugeführt wird.
Dann werden bei 907 diese neuen Prozessparameter verwendet, um den nächsten Scan basierend auf den durch den vorangegangenen Scan bereitgestellten Daten durchzuführen, und der Vorgang wird wiederholt bis die Schicht und schließlich das Teil vervollständigt sind. Im Allgemeinen führen die Erhöhung der Leistung und die Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit der Energiequelle zu größeren Mengen an dem Teil zugeführter Energie. Durch Zuführung größerer Energiemengen nimmt die Verfestigungsrate ab. Um einen Zustand zu beheben, in dem die Verfestigung zu schnell auftritt, kann dem System mehr Hitze zugeführt werden. Wenn umgekehrt die Verfestigung der Materialien zu langsam stattfindet, kann die dem Teil zugeführte Menge an Energie reduziert werden, was die Rate erhöht, mit der die Verfestigung auftritt. Die Rate, mit der sich Material verfestigt, ist im Allgemeinen sehr wichtig, da Abkühlraten, die zu weit außerhalb der Grenzen liegen, die Qualität des fertig gestellten Teils verringern. Eine weitere Möglichkeit, die Menge an der einer bestimmten Schicht oder einem bestimmten Gebiet zugeführten Wärme einzustellen, liegt in der Anpassung des Scanmusters. Beispielsweise wird ein Scanmuster, das mit engen Abständen abläuft dem Teil relativ mehr Energie zuführen als ein anderer Laser mit ansonsten gleichen Einstellungen aber mit einem breiteren Scanmuster.
10 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 1002 werden Sensor-Rohdaten empfangen, die sowohl Aufbauebenen-Intensitätsdaten als auch damit korrelierte Energiequellenbetriebssignaldaten beinhalten können. Bei 1004 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 1006 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 1008 kann der EnergieEintrag in jeden Gitterbereich aufsummiert werden, so dass eine Gesamt-Energiemenge, die jeder Gitterbereich empfangen hat, mittels Gleichung (1) 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 1010 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 (2) 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 1012 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 (3) bestimmt werden. $E_{g r i d l o c a t i o n} = \frac{\sum_{n = 1}^{s a m p l e s - i n - l o c a t i o i n} E_{p d_{n}}}{A_{g r i d l o c a t i o n}}$
Bei 1014 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 1016 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 1018 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 (4) und Gleichung (5) 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 1020 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 1022 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 1024, 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 10 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 10 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.
11A bis 11D zeigen visuelle Abbildungen, die angeben, wie mehrere Scans zur in individuelle Gitterbereiche eingebrachten Leistung beitragen können. 11A zeigt ein Gitter, das aus mehreren Gitterbereichen 1102 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. 11A zeigt auch ein erstes Muster von Energie-Scans 1104, die sich diagonal über einen Gitterbereich 1102 erstrecken. Das erste Muster von Energie-Scans 1104 kann mittels eines Lasers oder einer anderen intensiven Quelle thermischer Energie beaufschlagt werden, die über die Gitterbereiche 1102 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 1102 an der Kante jedes Energie-Scans 1104 wesentlich kleinere und genauere Mengen an Energie zugeordnet, während Gitterbereichen, die in einem zentralen Bereich der Energie-Scans 1104 liegen. ein vergleichsweise größerer Betrag an Energie zugeordnet wird.
11B zeigt, wie die über das Teil verteilt eingebrachte Energie in jedem der Gitterbereiche 1102 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 1102 verringert werden kann, um höher aufgelöste Daten zu erhalten. Alternativ könnte die Größe der Gitterbereiche 902 erhöht werden, um Speicher- und Verarbeitungsleistungsbedarf zu verringern.
11C zeigt ein zweites Muster von Energie-Scans 1106, 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.
12A bis 12F illustrieren, wie ein Gitter dynamisch erzeugt werden kann, um eine additive Fertigungsoperation zu kennzeichnen und zu steuern. 12A zeigt eine Aufsicht auf ein zylindrisches Werkstück 1202, das auf einem Bereich einer Aufbauebene 1204 angeordnet ist. Das Werkstück 1202 wird dargestellt, wie es einer additiven Fertigungsoperation unterzogen wird. 12B zeigt, wie das zylindrische Werkstück 1202 in mehrere Spuren 1206 aufgeteilt werden kann, entlang welcher eine Energiequelle Pulver schmelzen kann, das auf einer oberen Oberfläche des zylindrischen Werkstücks 1202 verteilt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Energiequelle die Richtung 1206 wechseln, wie abgebildet, während sich die Energiequelle in anderen Ausführungsformen immer in der gleichen Richtung bewegt. Ferner kann die Richtung der Spuren 1206 von Schicht zu Schicht variieren, um die Ausrichtung der für den Aufbau des Werkstücks 1202 eingesetzten Scans weiter zu randomisieren.
12C zeigt ein beispielhaftes Scanmuster für die Energiequelle, wie sie einen Bereich des Werkstücks 1202 aufbaut. Wie durch den Pfeil 1208 abgebildet, ist eine Bewegungsrichtung einer beispielhaften Energiequelle über das Werkstück 1202 diagonal. Individuelle Scans 1210 der Energiequelle können in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Energiequelle entlang der Spur 1206 ausgerichtet sein und sich über die ganze Spur 1206 erstrecken. Die Energiequelle kann zwischen aufeinanderfolgenden individuellen Scans 1210 kurz abgeschaltet werden. In einigen Ausführungsformen kann ein relatives Einschaltverhältnis der Energiequelle etwa 90% betragen, wenn diese jede der Spuren 1206 quert. Durch Anwenden dieses Typs von Scan-Strategie kann die Energiequelle eine Breite der Spur 1206 abdecken, während sie das Werkstück 1202 überquert. In einigen Ausführungsformen kann die Schneise 1210 eine Breite von etwa 5 mm aufweisen. Dies kann die Anzahl der für die Bildung des Werkstücks 1202 erforderlichen Spuren wesentlich verringern, da in einigen Ausführungsformen die Breite eine durch die Energiequelle erzeugten Schmelz-Pools von der Größenordnung etwa 80 Mikron ist.
12D und 12E zeigen, wie Gitterbereiche 1212 dynamisch entlang jeder Spur 1206 erzeugt und angemaßt werden können, um eine Breite jedes individuellen Scans 1210 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 1212 an die Länge der individuellen Scans 1212 angepasst sein, oder kann innerhalb von 10 oder 20% der Länge der individuellen Scans 1212 liegen. Wiederum kann die Scanlänge der individuellen Scans 1212 durch Abfragen der Energiequellen-Betriebssignale antizipiert werden. In einigen Ausführungsformen können die Gitterbereiche 1212 quadratisch oder von rechteckiger Gestalt sein. Die thermische Energiedichte kann für jeden Gitterbereich 1212 bestimmt werden, während die Energiequelle entlang der Spur 1206 fortfährt. In einigen Ausführungsformen könnten die Ablesungen der thermischen Energiedichte innerhalb des Gitterbereichs 1212-1 verwendet werden, um den Output der Energiequelle innerhalb des nächsten Gitterbereichs, in diesem Fall Gitterbereich 1212-2, anzupassen. Wenn beispielsweise die Ablesungen der durch die individuellen Scans 1210 innerhalb des Gitterbereichs 1212-1 erzeugten thermischen Energiedichte wesentlich höher sind, als erwartet, kann die Leistungsabgabe der Energiequelle verringert werden, die Geschwindigkeit, mit der die Energiequelle individuelle Scans 1210 abfährt, kann erhöht werden, und/oder der Abstand zwischen individuellen Scans 1210 kann innerhalb des Gitterbereichs 1212-2 erhöht werden. Diese Anpassungen können als Teile eines geschlossen Regelkreises gemacht werden. Während in jedem Bereich nur fünf individuelle Scans 1210 gezeigt sind, dient dies nur dem Beispielzweck, und die tatsächliche Anzahl von individuellen Scans innerhalb eines Gitterbereichs 1212 kann wesentlich größer sein. Wenn beispielsweise die durch die Energiequelle erzeugte Schmelzzone etwa 80 Mikron breit ist, bräuchte es etwa 60 individuelle Scans 1210, damit alles Pulver in einem quadratischen 5 mm-Gitterbereich 1212 innerhalb der Schmelzzone fällt.
12F zeigt einen Kantenbereich des Werkstücks 1202, sobald die Energiequelle das Abfahren des Musters der Spuren 1206 beendet hat. In einigen Ausführungsformen kann die Energiequelle fortfahren, dem Werkstück 1202 Energie zuzuführen, nachdem das meiste Pulver aufgeschmolzen und wieder verfestigt worden ist. Beispielsweise können Kontur-Scans 1214 entlang eines Außenumfangs 1216 des Werkstücks 1202 in geführt werden, um dem Werkstück 1202 ein Oberflächen-Finish zu verleihen. Man beachte, dass Kontur-Scans 1214 wie abgebildet wesentlich kürzer sind, als die individuellen Scans 1210. Aus diesem Grund können die Gitterbereiche 1218 wesentlich kürzer sein, als die Gitterbereiche 1212. Man beachte, dass die Gitterbereiche 1218 nicht genau rechteckig sind, weil sie in diesem Fall der Kontur des Außenumfangs des Werkstücks 1202 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.
13 zeigt ein Beispiel einer geschlossenen Regelschleife mit Feedback-Regelschleife 1300 zum Einrichten und Aufrechterhalten der Feedback-Regelung einer additiven Fertigungsoperation. Bei Block 1302 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 1304 angepasst werden, welcher Energiedichte-Ablesungen für diverse Gitterbereiche beinhaltet, die während vorausgegangener Schichten aufgezeichnet wurden. Der Energiedichte-Biasblock 1304 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.
13 zeigt auch, wie die Eingaben von Block 1302 und 1304 kooperativ ein Energiedichte-Steuersignal erzeugen, das von der Steuerung 1306 empfangen wird. Die Steuerung 1306 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 1308 empfangen, und Änderungen der Eingabeparameter werden von der Energiequelle 1308 für den gegenwärtigen Gitterbereich übernommen. Sobald optische Sensoren diejenigen Scans der Energiequelle 1308 messen, die den gegenwärtigen Gitterbereich ausmachen, wird bei Block 1310 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.
Mehr-Laser-Systeme mit Konfigurationen auf der Achse liegender Sensoren
14A zeigt ein additives Fertigungssystem, welches mehrere Energiequellenanordnungen 1400 umfasst, die oberhalb einer einzigen Aufbauebene 1402 angeordnet sind. Jede Energiequellenanordnung kann eine Energiequelle 1404 umfassen, die dazu konfiguriert ist, der Aufbauebene 1402 Energie zuzuführen, sowie weiter einen auf der Achse angeordneten optischen Sensor 1406, der dem in 3 beschriebenen und dargestellten auf der Achse liegenden Sensor 318 ähnlich ist. Insbesondere kann das Sensor-Bildfeld der optischen Sensoren 1406 zwischen 1 cm und 5 cm liegen. In einigen Ausführungsformen können Scanoptiken 1408 zwischen zugeordneten optischen Sensoren 1406 und Energiequellen 1404 geteilt werden. In einigen Ausführungsformen können Energiequellen 1404 hoch genug über der Aufbauebene positioniert sein, um es zu ermöglichen, dass Abdeckungsbereiche der Energiequellen 1404 in einem Maß überlappen, welches es ermöglicht, dass in der gesamten Aufbauebene 1402 wenigstens zwei Energiequellen 1404 Energie zuführen können.
14A zeigt ebenfalls eine Ausführungsform, bei der Energiequellen 1404 gleichzeitig Laserstrahlen 1410 und 1412 emittieren, um einen Teil 1414 zu formen. Indem dem gleichen Teil Energie auf diese Weise zugeführt wird, kann dem Teil 1414 eine große Menge an Energie sofort zugeführt werden. In einigen Ausführungsformen kann diese Kombination von Energiequellen dabei helfen, eine größere Spitzentemperatur des Schmelzpools zu erreichen, was bei bestimmten Metalllegierungspulvern, die eine große spezifische Wärme und/oder hohe Schmelztemperatur aufweisen hilfreich sein. Eine Kombination von Energiequellen kann auch dabei helfen, schnellere Scanraten zu erreichen und/oder dabei helfen, den Wärmeeintrag für Orte mit überdurchschnittlichen Scanwinkeln zu vergleichmäßigen. Da beispielsweise das Teil 1414 zwischen den Energiequellen 1404-1 und 1404-2 angeordnet ist, kann ein Einfallswinkel der Laserstrahlen 1410 und 1412 in etwa gleich sein und in verschiedene Richtungen orientiert sein und aufgrund der vergleichmäßigten Scanwinkel jegliche Energieeinstellung ermöglichen. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere abseits der Achse angeordnete optische Sensor 1416 an einem Rand der Optik 1408 angebracht werden. Abseits der Achse angeordnete optische Sensoren 1416 können dazu konfiguriert sein, dabei zu helfen, eine der Aufbauebene zugeführte totale Menge an Energie zu bestimmen, insbesondere in Fällen, in denen bestimmt wird, dass die Energiequellen 1404 so nahe beieinander arbeiten, dass durch auf der Achse liegende Sensoren 1406 nicht normale Werte detektiert werden. Beispielsweise kann der Absatz der Achse liegende Sensor 1416-1 einen Bereich abdecken, der das Teil 1414 enthält, aber Bereiche der Aufbauebene 1402 nicht enthält, durch welche die Laserstrahlen 1418 und 1420 laufen. Auf diese Weise kann zusätzliche Information gesammelt werden zu Lasern, die nahe beieinander arbeiten, was eine genauere Bestimmung der Gesamtwärmeausgabe in Bereichen erlaubt, die zwei oder mehr Lasern zugeordnet sind. Insbesondere kann die Energieausgabe an einem der abseits der Achse angeordneten Sensoren 1416-1 als eine Obergrenze für die Gesamtmenge an abgestrahlter Energie verwendet werden, die durch die überlappenden auf der Achse angeordneten Sensoren aufgezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Neigung überlappender Sensoren, zu viel zugeführte Energie aufzuzeichnen, wenigstens teilweise vermieden werden. Beispielsweise kann eine schnelle Zunahme der kombinierten mittleren Sensorwerte der überlappenden auf der Achse angeordneten Sensoren mit den mittleren Sensorwerten des abseits der Achse angeordneten Sensors verglichen werden. Wenn eine Zunahme bei den Sensorwerten des abseits der Achse angeordneten Sensors nicht vorliegt, könnte dies auf ein Problem hindeuten, dass die Daten der auf der Achse angeordneten Sensoren die eingestrahlte Wärmeenergie wenigstens teilweise doppelt zählen.
Die 14B bis 14E zeigen verschiedene Abstände von Lasern und Sensor-Bildfeldern für die in 14A gezeigte additive Fertigungsvorrichtung. 14B zeigt eine Situation, bei der Sensor-Bildfelder 1422 und 1424, die auf der Achse angeordneten Sensoren 1406 zugeordnet sind, Energie dem gleichen Teil zuführen aber nicht nahe genug beieinander sind, um überlappende Sensor-Bildfelder zu haben. In dieser Ausführungsform gibt es nur sehr wenig gemeinsame Wärmeenergiestrahlung, die von beiden Sensoren wahrgenommen wird, was wenig bis keine Probleme in Bezug auf das Überschätzen der der Aufbauebene zugeführten Energiemenge führt. In einigen Ausführungsformen kann ein Prozessor dazu konfiguriert sein, die Amplitude von Sensorwerten zu reduzieren, die durch Sensoren 1406 gesammelt werden, um dabei zu helfen, eine Situation zu vermeiden, in der Sensorwerte, die der ersten und der zweiten Energiequelle zugeordnet sind, als potenziell außerhalb des Bereichs betrachtet werden, weil sie etwas größer sind als wenn sie unabhängiger arbeiten.
Die 14C und 14D zeigen Konfigurationen, in denen Sensor-Bildfelder 1422 und 1424 verschieden stark überlappen. 14C zeigt einen leichten Überlapp zwischen den Sensor-Bildfeldern 1422 und 1424. Bei einer solchen Konfiguration besteht ein Risiko dahingehend, dass ein Teil der von jeder der Energiequellen eingestrahlten Energie mehr als einmal gezählt wird. Wenn Energie doppelt gezählt wird, kann dies die dem Pulver auf der Aufbauebene zugeführte Energiemenge fälschlich erhöhen, wodurch die Genauigkeit der Sensormessungen zur Charakterisierung von Änderungen in der Aufbauebene reduziert wird. Das wird noch problematischer, wenn, wie in 14D gezeigt, die Laserstrahlen 1410 und 1412 so nahe beieinander sind, dass die Sensor-Bildfelder 1422 und 1424 den größten Teil der von den Laserstrahlen 1410 und 1412 eingestrahlten Energie detektieren. Wenn sich die Laserstrahlen 1410 und 1412 für eine ausgedehnte Zeit nahe beieinander bewegen anstatt nur schnell aneinander vorbei zu laufen, kann eine Näherung durchgeführt werden, um eine Energiemenge genauer zu bestimmen, die deshalb eingestrahlt wird, weil die Laserstrahlen 1412 und 1410 auf das Pulver auf der Aufbauebene treffen. Eine einfache Näherung besteht darin, die Sensorwerte in Übereinstimmung mit der Größe der Überlappungsfläche der Sensor-Bildfelder 1422 und 1424 zu reduzieren.
14E zeigt eine Konfiguration, in der Laser 1410 und 1412 nahezu oder vollständig überlappen. Eine solche Konfiguration kann wünschenswert sein, wenn eine größere Energiemenge gewünscht ist. In einem solchen Fall können Werte, die von einem der Sensoren 1406 gesammelt werden, als redundant verworfen werden, da beide Sensor-Bildfelder schließlich den gleichen Teil der Aufbauebene abdecken.
15A zeigt einen Graphen, der eine Verteilung von Wärme innerhalb von Sensor-Bildfeldern 1422 und 1424 für die in 14B gezeigte Konfiguration zeigt. Insbesondere können die Sensor-Bildfelder 1422 und 1424 als Gaußfunktionen angenähert werden, da die durch jedes Sensor-Bildfeld abgestrahlte Energiemenge ein Maximum in einem Bereich aufweist, der die Energie direkt von dem Laserstrahl erhält, und dann in einem Bereich, der den Punkt umgibt, an dem die Energie von den Laser zugeführt wird, zunehmend abnimmt. Obwohl die Bewegungsrichtung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Zeit und andere Faktoren die genaue Gestalt der Wärmeverteilung beeinflussen können, ist eine Gaußsche Verteilung wesentlich genauer als anzunehmen, dass die abgestrahlte Energie über die Sensor-Bildfelder 1422 und 1424 hinweg konstant ist. 15A zeigt auch, wie Zunahmen in dem Hintergrund-Energieüberlapp auf de Bereich 1426 zwischen den Sensor-Bildfeldern 1422 und 1424 begrenzt ist, der außerhalb der Sensor-Bildfelder 1422 und 1424 liegt. In einem solchen Fall müssen die Sensorwerte der auf der Achse angeordneten Sensoren 1406 möglicherweise nicht angepasst werden, da jegliche Änderungen lediglich zu einer leichten Erhöhung der Umgebungstemperatur des Pulverbetts 1402 führen würden.
15B zeigt einen Graphen, der Wärmeverteilungen zeigt, die von zwei verschiedenen Sensor-Bildfeldern in Übereinstimmung mit der in 14C gezeigten Konfiguration detektiert werden. Insbesondere zeigt 15B einen leichten Überlapp zwischen Sensor-Bildfeldern 1422 und 1424, was potentiell dazu führt, dass die Sensoren, die den Sensor-Bildfeldern zugeordnet sind, einiges an der eingestrahlten Energie gemeinsam doppelt zählen. In einigen Ausführungsformen kann die Gaußsche Energieverteilung verwendet werden, um die Menge an eingestrahlter Energie abzuschätzen, die verdoppelt wird, und dann die Menge an aufgezeichneter Energie für jeden der Sensoren entsprechend zu reduzieren. Wenn die Sensoren 1406 aus einem CMOS-Sensor, CCD-Sensors oder Sensor von Fotodioden-Array-Typ vorliegen, können alternativ Sensoren von Teilen der Sensoren, die den überlappenden Bereichen entsprechen ignoriert werden, um ein genaueres Gesamtbild der Energiemenge zu erhalten, die der Aufbauebene durch die benachbarten Laser 1410 und 1412 zugeführt wird. Beispielsweise können die optischen Sensoren 1406 in Gestalt eines 4x4 Fotodiodenfeldes vorliegen, was es ermöglicht, dass die Fotodioden auf einer Seite des Fotodioden Feldes abgeschaltet werden, wenn Steuerungssignaldaten der zugeordneten Optik 1408 eine große Nähe zwischen den Lasern 1410 und 1412 angeben. In einigen Ausführungsformen, in denen die Wechselwirkung zwischen den Lasern 1410 und 1412 kürzer ist, wie etwa bei einer engen Passage von Lasern, wenn diese sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, können die Sensordaten durch extrakurierte Daten ersetzt werden, die auf einem Modell basieren, das die Echtzeit-Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Bewegungsrichtung als Parameter aufweist.
Ähnliche Verfahren können bei der in 15C gezeigten Konfiguration verwendet werden; man sollte jedoch erkennen, dass der größere Überlapp die Verwendung nur einer einzigen Fotodiode genauer macht, je nachdem wie stark die Sensor-Bildfelder überlappen. Jedes Mal, wenn ein Sensor-Bildfeld beide Laser enthält, wie in 15C gezeigt, kann beispielsweise eine Bestimmung des Überlappungsprozentsatzes berechnet werden, und wenn ein Schwellwert, wie etwa 75% des Überlapps, beobachtet wird, werden Werte von einem Sensor ignoriert. In 15D kann der Sensor ausgewählt werden, der die konsistentesten Daten bereitstellt, oder der Sensor mit dem niedrigsten Einfallwinkel auf den Schmelzpool, bereitstellt, während Daten von dem zweiten Sensor ignoriert werden können. Es ist ersichtlich, dass in einigen Ausführungsformen drei oder mehr Laser an dem gleichen Teil arbeiten können, und dass die Sensorwerte auf eine ähnliche Weise behandelt werden können.
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 Computer-lesbaren 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62633496 [0001]
US 62643457 [0001]
US 62633487 [0001]

Claims

Additives Fertigungssystem, umfassend: eine Aufbauebene, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, der mit dem ersten Bereich wenigstens teilweise überlappt; eine erste Energiequellenanordnung, welche umfasst: eine erste Energiequelle, die dazu konfiguriert ist, Energie entlang einem ersten Pfad in dem ersten Bereich der Aufbauebene zu richten; und einen ersten optischen Sensor mit einem ersten Sensor-Bildfeld, der dazu konfiguriert ist, dem ersten Pfad zu folgen und von der Aufbauebene abgestrahlte Energie zu überwachen; eine zweite Energiequellen Anordnung, welche umfasst: eine zweite Energiequelle, die dazu konfiguriert ist, Energie entlang einem zweiten Pfad in dem zweiten Bereich der Aufbauebene zu richten; und einen zweiten optischen Sensor mit einem zweiten Sensor-Bildfeld, der dazu konfiguriert ist, dem zweiten Pfad zu folgen und von der Aufbauebene abgestrahlte Energie zu überwachen; und einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors anzupassen, wenn ein Abstand zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad unter einen Grenzabstand abfällt.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei der Grenzabstand ein Abstand ist, bei dem eine Nähe zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad dazu führt, dass das erste Sensor-Bildfeld und das zweite Sensor-Bildfeld überlappen.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor Fotodioden sind.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor Fotodiodenfelder sind.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 4, wobei das Anpassen der Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors ein Ignorieren von wenigstens einem Teil der Sensorwerte umfasst, die von dem ersten optischen Sensor und dem zweiten optischen Sensor gesammelt wurden.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine dritte Energiequellenanordnung, wobei die dritte Energiequellenanordnung einen dritten optischen Sensor umfasst, der ein drittes Sensor-Bildfeld aufweist, wobei der Prozessor dazu konfiguriert ist, die Ausgabe des ersten optischen Sensors, des zweiten optischen Sensors und des dritten optischen Sensors anzupassen, wenn das erste Sensor-Bildfeld, das zweite Sensor-Bildfeld und das dritte Sensor-Bildfeld teilweise überlappen.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen dritten optischen Sensor mit einem dritten Sensor-Bildfeld, der einen festen Bereich der Aufbauebene überwacht.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 7, wobei Sensorwerte von dem dritten optischen Sensor verwendet werden, um die Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors zu kalibrieren, und zwar in Antwort darauf, dass die Sensor-Bildfelder des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors innerhalb des Sensor-Bildfelds des dritten Sensors angeordnet sind und das erste Sensor-Bildfeld und das zweite Sensor-Bildfeld wenigstens teilweise überlappen.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Sensor-Bildfeld und das zweite Sensor-Bildfeld zwischen 1 cm und 5 cm breit sind.
Additives Fertigungsverfahren, umfassend: Scannen einer ersten Energiequelle entlang eines ersten Pfads, der eine Pulverschicht durchläuft, die auf einer Aufbauebene angeordnet ist; Überwachen einer ersten Energiemenge, die von der Pulverschicht abgestrahlt wird, unter Verwendung eines ersten optischen Sensors, der ein erstes Sensor-Bildfeld aufweist, das dem ersten Pfad folgt; Scannen einer zweiten Energiequelle entlang eines zweiten Pfads, der die Pulverschicht durchläuft; Überwachen einer zweiten Energiemenge, die von der Pulverschicht abgestrahlt wird, unter Verwendung eines zweiten optischen Sensors, der ein zweites Sensor-Bildfeld aufweist, das dem zweiten Pfad folgt; Anpassen einer Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors in Übereinstimmung mit einem Abstand zwischen dem ersten Sensor-Bildfeld und dem zweiten Sensor-Bildfeld.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, wobei das Anpassen der Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors ein Speichern von Sensorwerten von nur dem ersten optischen Sensor umfasst, wenn die erste Energiequelle und die zweite Energiequelle innerhalb des ersten Sensor-Bildfelds scannen.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend Bestimmen einer Energiedichte, die durch die erste Energiequelle und die zweite Energiequelle in die Pulverschicht innerhalb eines ersten Bereichs der Aufbauebene eingebracht wird.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, wobei das Anpassen der Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors ein Verwerfen von Sensorwerten umfasst, die einem Teil der abgestrahlten Energie zugeordnet sind, die an dem ersten optischen Sensor und dem zweiten optischen Sensor empfangen wird.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend Abschätzen einer Energiemenge, die von einem Bereich zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad der Energiequellen abgestrahlt wird, und zwar unter Verwendung einer Gaußverteilung, um eine Verteilung der Wärmeenergie nahe dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad abzuschätzen.
Additives Fertigungsverfahren, umfassend: Scannen einer ersten Energiequelle entlang eines ersten Pfads, der eine Pulverschicht durchläuft, die auf einer Aufbauebene angeordnet ist; Überwachen einer ersten Energiemenge, die von der Pulverschicht abgestrahlt wird, unter Verwendung eines ersten optischen Sensors, der ein erstes Sensor-Bildfeld aufweist, das wenigstens einen Teil des ersten Pfads enthält; Scannen einer zweiten Energiequelle entlang eines zweiten Pfads, der die Pulverschicht durchläuft; Überwachen einer zweiten Energiemenge, die von der Pulverschicht abgestrahlt wird, unter Verwendung eines zweiten optischen Sensors, der ein zweites Sensor-Bildfeld aufweist, das wenigstens einen Teil des zweiten Pfads enthält; Anpassen einer Ausgabe des ersten optischen Sensors und des zweiten optischen Sensors in Übereinstimmung mit einem Abstand zwischen der ersten scannenden Energiequelle und der zweiten scannenden Energiequelle.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Sensor-Bildfeld dem ersten Pfad folgt und das zweite Sensor-Bildfeld dem zweiten Pfad folgt, und zwar zusammen mit der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 15, wobei der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor auf der Achse angeordnete Fotodioden sind, die sich eine Scanoptik mit der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle teilen.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend Überwachen von von der Aufbauebene abgestrahlter Energie, die sowohl der ersten Energiequelle als auch der zweiten Energiequelle zugeordnet ist, unter Verwendung eines abseits der Achse angeordneten optischen Sensors.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend Scannen der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle in die gleiche Richtung, wobei die erste Energiequelle von der zweiten Energiequelle durch einem Abstand getrennt ist, der dazu führt, dass das erste Sensor-Bildfeld das zweite Sensor-Bildfeld überlappt.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Energiequelle und die zweite Energiequelle Laser sind und der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor Fotodioden sind.