EP3585541A1 - Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung

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Publication number
EP3585541A1
EP3585541A1 EP18719452.7A EP18719452A EP3585541A1 EP 3585541 A1 EP3585541 A1 EP 3585541A1 EP 18719452 A EP18719452 A EP 18719452A EP 3585541 A1 EP3585541 A1 EP 3585541A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
interferometer
workpiece
optical measuring
distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18719452.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus KOGL-HOLLACHER
Christian Staudenmaier
Thibault BAUTZE
Daniel REGULIN
Heinz-Ingo Schneider
Henning Hanebuth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Precitec GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Precitec GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Precitec GmbH and Co KG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3585541A1 publication Critical patent/EP3585541A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • B29C64/135—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present disclosure relates to an apparatus and a method for additive production.
  • the present disclosure relates to an apparatus and method for Laser Metal Deposition (LMD).
  • LMD Laser Metal Deposition
  • Laser Metal Deposition uses a laser beam and feed material to apply material to a workpiece.
  • the laser beam generates a molten bath on a surface of the workpiece.
  • a nozzle metal powder or wire is introduced. It creates welded together material areas that result in structures on existing workpieces or new structures.
  • measurement techniques can be used to investigate, for example, the welded or applied material area, the emissions from the interaction zone or the molten bath and its geometry.
  • Known methods such as camera-based methods for melt pool geometry analysis or pyrometer-based methods for temperature measurement, are based on secondary emissions from the interaction process and can give no or only very limited information about an absolute geometry.
  • the indication of the height and / or the complete geometry of the additive-produced component or of the additively produced weld bead is valuable information for indicating the machining quality and / or for the process control.
  • DE 10 2014 219 656 A1 discloses a method for producing and / or repairing components such as gas turbine components, for example runners or guide vanes, in which subtractive and additive method steps are combined in a hybrid method.
  • process parameters such as contours, temperature, material and / or surface condition can be checked and controlled.
  • an additive manufacturing apparatus comprising a laser device for processing materials by means of a laser beam, such as a laser processing head, the laser device is adapted to direct the laser beam to a processing area of a workpiece, at least one feed material feeder adapted to feed the feed material To supply processing area, and an interferometer unit, which is adapted to measure by means of at least one optical measuring beam, a surface of the workpiece, such as a distance to the workpiece, or between the device and the workpiece surface, and / or a topography of the workpiece surface , According to other embodiments, a method for additive manufacturing is specified.
  • the method includes directing a laser beam at a processing area of a workpiece, feeding a feed material to the processing area, and measuring a surface of the workpiece, such as measuring a distance to the workpiece and / or a topography of the workpiece surface, using an interferometer unit.
  • the at least one optical measuring beam may be provided statically with respect to the laser beam.
  • the at least one optical measuring beam may be dynamically, i. be movable, provided with respect to the laser beam.
  • the optical measuring beam can execute a predetermined scanning movement or shut down a scanning figure.
  • the interferometer unit may comprise an interferometer for providing a reference beam and the optical measuring beam.
  • the interferometer unit may comprise an evaluation unit for evaluating the data acquired by the interferometer.
  • the interferometer unit may comprise an interferometer, which is set up to allow movements of the optical measuring beam, in particular linear or rotary movements, individually or in combination.
  • the scanning movement performed by the measuring beam can thus have a circular or linear or also the shape of an 8.
  • the linear scanning movement can be parallel to a machining direction or have an angle thereto.
  • the optical measuring beam can be guided in the flow and / or in the wake and / or through a molten bath.
  • Two or more optical measuring beams can be moved independently or independently of each other.
  • two or more measurement beams may together comprise a rotating motion, e.g. around the beam axis of the laser beam in the machine direction.
  • two optical measuring beams can be used, one in the forward and one in the wake.
  • the optical measuring beam can be split into two sub-beams, which can be guided simultaneously in the forward and in the wake.
  • the partial beams can be provided movably.
  • the at least one optical measuring beam may comprise one or more of the following wavelengths: 1550 nm, 1310 nm, 1080 nm, 1030 nm and 830 nm. These wavelengths may a central wavelength of an associated wavelength range of the optical measuring beam.
  • the interferometer unit may be configured to determine a position of the surface of the workpiece and / or a topography of the surface of the workpiece on the basis of the distance measurement.
  • the interferometer unit can be set up to measure a distance to the machining area and / or a distance to a region of the workpiece that lies adjacent to the machining area.
  • the interferometer may comprise a coherence interferometer or a short-coherence interferometer.
  • the interferometer can be set up to couple the at least one optical measuring beam into a beam path of the laser device.
  • the interferometer may also comprise a beam path for the optical measuring beam separated from the beam path of the laser device.
  • the at least one feeder may be configured to supply a powder or a wire as feed material.
  • the at least one feeding device may be selected from a group consisting of a ring jet powder nozzle, a multi-jet powder nozzle, and an off-axis powder nozzle.
  • the at least one optical measuring beam and the laser beam may be coaxial or substantially coaxial.
  • the optical measuring beam may also be inclined relative to the laser beam or with respect to an optical axis of the laser device.
  • the interferometer may be configured to statically provide the at least optical measuring beam with respect to the laser beam.
  • the interferometer may be arranged to provide the optical measuring beam movable with respect to the laser beam.
  • a controller may be provided to control the laser device and / or the at least one delivery device based on the distance measured by the interferometer unit.
  • the controller may be configured to select at least one process input selected from the direction of movement of the apparatus with respect to the workpiece, moving speed with respect to the workpiece, powder flow rate, powder amount, powder composition, powder feed direction, wire feed direction, wire feed speed, working distance, process gas composition, process gas pressure, laser focus diameter, optical position Axis, laser focus position, laser pulse width and laser power.
  • the device according to the invention can be or comprise a laser deposition welding head.
  • the device according to the invention can be set up for a method for laser metal deposition (LMD) or cladding.
  • the method according to the invention may comprise a method for laser metal deposition (LMD) or cladding.
  • the device can be set up to determine at least one physical size of the production process from the distance measurement during additive deposition, ie, during laser deposition welding, such as a position and / or topography of the workpiece surface and / or a geometric size of a weld bead manufactured during the process (Also referred to as a component) and / or a derived therefrom size and / or a height of a coated layer and / or a size derived therefrom.
  • one or more additional physical quantities can be detected, such as a laser power and / or a dimension of the laser focus and / or a Feed rate of a feed material and / or a material flow of the feed material and / or a dimension or a diameter of a resulting during the process melt pool and / or a temperature of the molten bath and / or derived from one or more of the aforementioned sizes size.
  • corresponding detection means may be provided.
  • the at least one physical variable can be recorded or determined continuously or at intervals of at most 100 milliseconds, preferably at most 20 milliseconds and expediently at most 5 milliseconds, advantageously at the same time intervals.
  • the apparatus may be further configured to adjust at least one additive manufacturing process parameter, such as the at least one particular or sensed physical quantity and / or its history, such as, for example, as shown in FIG. a focus position and / or a laser power.
  • at least one additive manufacturing process parameter such as the at least one particular or sensed physical quantity and / or its history, such as, for example, as shown in FIG. a focus position and / or a laser power.
  • the at least one process parameter can be adjusted such that deviations from a model of the processing area or the weld bead and / or from a model of the additive manufacturing process are kept below a maximum threshold and / or minimized, preferably by means of a control method.
  • the device may comprise a control and / or regulating device which is set up to set the at least one process parameter such that deviations from the model are kept below a maximum threshold and are preferably minimized.
  • a method for the additive laser deposition welding of a component by means of a laser comprising: detecting at least one physical variable of the welding process during laser deposition welding, and setting at least one process parameter of the method depending on the at least one detected physical variable; / or its course.
  • Additive laser cladding in the context of the present application expediently additive manufacturing of preferably three-dimensional structures by means Laser deposition welding understood.
  • the term of the welding process is expediently understood to mean the process of laser deposition welding.
  • a component can also be manufactured precisely in the event of a change in the physical parameters of laser deposition welding caused by drift or other disturbing influences.
  • the deviations from the desired shape of the component can be kept low in the method according to the invention.
  • three-dimensional layer structures and components can also be produced by means of laser deposition welding by means of the method according to the invention, in that a multiplicity of process parameters for realizing the desired component geometry can be set accurately.
  • the physical size is preferably at least one geometric size of the component manufactured during the welding process and / or a size derived therefrom and / or a height of a layer applied during laser deposition welding and / or a variable derived therefrom.
  • the at least one geometric variable is particularly preferably a height of the component or of the layer in the direction of a beam direction of the laser used for laser buildup welding and striking the component.
  • a machining head for laser deposition welding.
  • this machining head allows a distance measurement of the machining head to the component, suitably by means of coherence tomography. In this way, the distance of the machining head from the component can be measured without contact.
  • the height of the component in the direction of the machining head to easily determine if the position of the machining head to a reference position, such as a point on a side facing away from the machining head of the component or a location of a substrate which rests on this side of the component is known.
  • the Fabrication device configured to detect the relative position of the machining head to such a reference position.
  • the term "height of the component” is preferably understood to mean the height of the component currently reached at the location of the material application during laser deposition welding.
  • the component is preferably manufactured in layers in the method according to the invention for additive laser deposition welding
  • a CAM model Computer Aided Manufacturing
  • the current height of the component is determined by the already achieved in previous manufacturing steps height of the component and by the height of the currently manufactured layer. Consequently, according to the invention, depending on the embodiment of the method according to the invention, the current height of the component or alternatively or additionally and likewise preferably the height of the layer currently applied can be used as the at least one physical variable.
  • a feed device in particular a powder conveyor, is used for a welding material and the at least one physical variable is at least one feed stream or material flow of the welding material and / or one feed speed of the feed device and / or a derived from one or more of the aforementioned sizes size.
  • a machining head is used, wherein the feeding device is ideally accommodated in the machining head.
  • the material flow or the feed speed of the feeder or a derived quantity in the processing head itself can be determined so that no detection means, such as sensors, have to be used outside the processing head.
  • the method according to the invention can also be carried out robustly and reliably in harsh environmental conditions typical of laser deposition welding.
  • the at least one physical quantity is at least one power of the laser and / or a dimension of a focus of the laser and / or a variable derived from one or more of the aforementioned magnitudes.
  • the laser cladding welding with a molten bath and the at least one physical size is at least one dimension of the molten bath and / or a temperature of the molten bath and / or a size derived therefrom.
  • the molten bath with a camera, in particular a CCD camera, detected and determined by means of image processing, the at least one dimension of the molten bath.
  • a camera in particular a CCD camera
  • the at least one size is a distance of the machining head from the component and / or a variable derived therefrom.
  • the dimension of the molten bath is related to the temperature of the molten bath such that a greater temperature of the molten bath requires a greater dimension of the molten bath. Consequently, the at least one dimension of the molten bath is a measure of the temperature of the molten bath.
  • the at least one process parameter is the position and / or the time profile of the position of the focus of the laser relative to the component and / or a variable derived therefrom.
  • an application rate and / or a spatial application profile during laser deposition welding can be influenced easily.
  • the welding material in the case of laser cladding, there is a tendency for the welding material to be reinforced or spatially heterogeneously deposited on the component when the focus of the laser is accelerated and the focus of the laser is slowed down.
  • a height of a layer applied or a certain degree of divorce in a certain area of the component can be tailored to a certain extent, i. Accurately targeting a predetermined geometric model of the component to be manufactured.
  • the at least one size is continuously, ie continuously, or at intervals of at most 100 milliseconds, preferably at most 20 milliseconds and expediently at most 5 milliseconds, advantageously at the same time intervals.
  • a sufficiently continuous feedback of the at least one variable is ensured for the laser deposition welding, so that the at least one process parameter can be set sufficiently fast.
  • the at least one process parameter is set such that deviations from a model of the component and / or laser cladding are kept below a maximum threshold and / or minimized, preferably by means of a control method. Consequently, by means of the method according to the invention, the component can be geometrically manufactured with high precision. Particularly preferably, the component is manufactured in layers in the inventive method.
  • the at least one process parameter is set such that the current height of the component corresponds to the current height of the component provided in a process model of the method according to the invention.
  • the height of the currently produced layer is determined from the model of laser deposition welding, for example a CAM model of laser deposition welding, and the height of the layer currently produced is kept within predetermined limits, ie almost constant.
  • a control is undertaken in which the at least one physical variable forms a controlled variable and the at least one process parameter forms a manipulated variable.
  • the physical variable is expediently the current height of the component and / or the height of a layer currently applied during laser deposition welding.
  • a production device for additive laser cladding of a component is specified by means of a laser and is set up in particular for carrying out a method according to the invention for additive laser deposition welding as described above.
  • the production device according to the invention comprises at least one detection means for detecting at least one physical variable of the welding process and at least one adjusting means for the position of at least one process parameter from the at least one detected physical quantity and / or its course.
  • the dependence of the position of the at least one process parameter on the detected at least one variable is expediently controlled by means of a control device of the production device according to the invention.
  • the production device has a machining head for laser buildup welding and a distance detection device which is designed to measure the distance of the machining head from the component and / or which has a coherence tomograph or is optically connected to such a coherence tomograph.
  • the distance of the machining head from the component can be measured without contact.
  • the height of the component in the direction of the machining head can be easily determined from the distance of the machining head from the component, as far as the position of the machining head to a reference position as already described above for the method according to the invention is known.
  • the manufacturing device is set up to detect the relative position of the machining head to such a reference position.
  • the production device preferably comprises a supply device for supplying powdered welding material for laser cladding, and at least one detecting means for detecting the supply speed and / or the material flow of the welding material.
  • the material flow is detected as a volume flow and / or mass flow.
  • the volume flow can be easily detected with imaging agents.
  • the manufacturing device comprises at least one detection means for detecting at least one dimension of a laser deposition welding bath and / or at least one detection means for detecting the temperature of the molten bath and / or at least one detection means for detecting the power of the laser.
  • the power of the laser is an internal variable, which can be detected, for example, via a preferably present control device of the production device, in particular in the form of a PC or CNC controller.
  • the detection means for detecting the temperature of the molten bath comprises Detection means for detecting at least one dimension of the molten bath. Because the dimension of the molten bath depends on the temperature of the molten bath in such a way that a higher temperature of the molten bath causes a higher dimension of the molten bath.
  • the detection means for detecting the at least one dimension comprises at least one CCD camera which detects an image of the molten bath.
  • the at least one setting means comprises at least one adjusting means for setting the position of the focus of the laser or its course and / or at least one adjusting means for setting the power of the laser.
  • the adjusting means is a movable relative to the component, such as within a plane or three-dimensionally movable, processing head of the manufacturing device.
  • the production device comprises a control and / or regulating device which is set up to set the at least one process parameter such that deviations from a model of the component or a process model for laser cladding are kept below a maximum threshold and are preferably minimized. Consequently, in this development of the invention, at least part of the intended geometric shape of the component forms a controlled variable of the method according to the invention.
  • the manufacturing device comprises a control in which the at least one physical variable forms a controlled variable and the at least one process parameter forms a manipulated variable.
  • the invention provides monitoring and / or control of additive manufacturing by means of laser beams and a feed material (also referred to as "feed material” or “filler material”).
  • feed material also referred to as "feed material” or "filler material”
  • the sensor principle used is interferometry for distance measurement, such as optical short-coherence interferometry.
  • the interferometry can be used, for example, in the course of the process for determining the position of the surface to be processed and / or in the wake for measuring the resulting topography of the applied material.
  • the present invention thus provides an online (or in-situ) sensor technology for the exact measurement of the process result in the form of a geometry measurement, whereby an improved process control, in particular an improved process control and / or process control can be achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an apparatus for additive production with a static optical measuring beam according to embodiments of the present disclosure
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an apparatus for additive production with a spatially movable optical measuring beam according to embodiments of the present disclosure
  • FIGS. 3A and B show a schematic representation of an apparatus or a beam path for additive manufacturing with a static optical measuring beam according to an embodiment of the present disclosure
  • 4A and B show a schematic representation of a device or a beam path for additive manufacturing with a spatially movable optical measuring beam according to embodiments of the present disclosure
  • Figures 5A and B is a schematic representation of a device or a beam path for additive manufacturing with a static optical measuring beam according to further embodiments of the present disclosure
  • FIGS. 6A and B show a schematic illustration of an apparatus or a beam path for additive production with a spatially movable optical measuring beam according to further embodiments of the present disclosure
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of an apparatus for additive production according to still further embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a flowchart of an additive manufacturing process according to embodiments of the present disclosure.
  • FIGS. 9A to 9C are schematic illustrations for possible guides of the optical measuring beam
  • FIG. 9D is a graphical representation of a measurement by means of an optical measuring beam executing a linear scanning movement in the lead and tail of the laser beam.
  • Figure 10 shows an inventive method for 3D printing of a component schematically in a schematic sketch.
  • Figure 11 shows a part of a manufacturing device according to the invention for 3D printing of the component according to the method of Figure 10 schematically in longitudinal section.
  • FIG. 12 shows a part of the production device according to the invention according to FIG. 11 for 3D printing of the component according to the method according to FIG. 10, schematically in longitudinal section.
  • Figure 13 shows a detail of the inventive manufacturing device according to Figures 11 and 12 for 3D printing of the component according to the method of Figure 10 schematically in longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an apparatus 100 for additive manufacturing or a manufacturing device for additive laser cladding with a static optical measuring beam according to embodiments of the present disclosure.
  • the device 100 may be a laser deposition welding head.
  • the additive manufacturing apparatus 100 includes a laser apparatus 110 for processing materials by a laser beam 112 (eg, a laser machining head), the laser apparatus 110 configured to direct the laser beam 112 at a processing area of a workpiece 10, at least one feeder 130 for a feed material adapted to supply the feed material to the processing area, and an interferometer unit having an interferometer 140 arranged to measure a distance to the workpiece 10 by means of an optical measuring beam.
  • the device 100 may be movable along a machining direction 20 according to embodiments.
  • the machining direction 20 may be a direction of movement of the device 100 with respect to the workpiece 10.
  • the processing direction can be a horizontal direction.
  • an interferometer such as a short-coherence interferometer
  • the interferometry can be used, for example, in the lead-in of an LMD process for determining the position of the surface of the workpiece to be processed and / or in the wake for measuring the resulting topography of the applied material.
  • an on-line sensor technology is provided for the exact measurement of the process result in the form of a geometry measurement, whereby improved process control and / or process control can be achieved.
  • the interferometer 140 may be configured to provide the optical measuring beam substantially statically with respect to the laser beam 112.
  • the present disclosure is not limited to this, and the interferometer 140 may be configured to dynamically, i. movable to provide with respect to the laser beam 112, as shown for example in Figures 2, 4A, 4B, 6A, 6B and 7.
  • the apparatus 100 may be used in accordance with laser metal deposition (LMD) embodiments in which the laser beam 112 and the feed material are employed to apply material to the workpiece 10.
  • LMD laser metal deposition
  • the laser beam 112 generates a molten pool 14 on a surface of the workpiece 10.
  • the feeder 130 such as a nozzle 132
  • the feed material which may be, for example, a metal powder
  • the device 100 can be used for so-called high-speed cladding, in which no molten bath is produced, but the molten powder hits the workpiece surface and is deposited thereon.
  • the apparatus 100 may include focusing optics 120 for focusing the laser beam 112 onto the workpiece 10.
  • the focusing optics 120 defines an optical axis.
  • the focusing optics 120 may be, for example, a fixed focal length or variable focal length (zoom) optical system.
  • the focusing optics 120 may include at least one imaging optical element defining the optical axis.
  • a divergent laser light beam emerging from an optical fiber of the laser device 110 is converted by means of a collimator optics into a parallel laser light bundle, which is focused onto the workpiece 10 by a focusing lens.
  • the interferometer unit is configured to measure a distance to the workpiece 10, for example with respect to a reference point defined by the interferometer 140, by means of the optical measuring beam, which may be a laser beam.
  • the interferometer 140 may be a coherence interferometer, and more particularly a short-coherence interferometer.
  • the distance measurement by means of an interferometer is known and will not be explained in detail.
  • the interferometer 140 may be configured to measure a change in distance while the device 100 is being moved along the machining direction 20 and / or while the measuring beam is moving on the surface of the workpiece. As a result, for example, a topography measurement can take place.
  • the interferometer unit is configured to measure a distance to the processing area.
  • a post-topography survey may be performed to determine the geometry of the area machined by the device, such as an application weld bead.
  • the topography measurement can be used according to embodiments for error detection and / or regulation of one or more process input variables.
  • the process inputs may be e.g. a powder flow, a wire feed, a process speed, a laser power, a working distance, etc.
  • the interferometer unit may be configured to measure a distance to an area of the workpiece 10 that is adjacent to the processing area.
  • the area may be an unprocessed surface of the workpiece 10.
  • a topography measurement in the feed (for example a z-position of the workpiece surface) can be used as a reference measurement and / or for process control.
  • the sensor system of the present disclosure is based on interferometry, such as short-coherence interferometry.
  • interferometry such as short-coherence interferometry.
  • a measuring beam off-axis is statically or movably provided by the interferometer.
  • the measurement beam provided by the interferometer is coupled into the optical beam path of the processing laser and superimposed coaxially or almost coaxially in the interaction zone statically or movably.
  • the interferometer 140 may include a beam path for the optical measuring beam separate from the beam path of the laser device 110.
  • the interferometer 140 may be configured to tilt the optical measuring beam with respect to the optical axis of the laser device 110 to the workpiece 10.
  • the interferometer 140 may comprise an off-axis beam path for the optical measuring beam separated from the beam path of the laser device 110, wherein an oblique incidence of the optical measuring beam may take place, for example, in the wake.
  • a measurement of the height of the build-up weld bead can take place, wherein the interferometer 140 can be statically positioned in the wake.
  • a topography can be measured, for example by means of a 1D or 2D oscillation in the wake.
  • the interferometer 140 may be configured to couple the optical measuring beam into a beam path of the laser device 110.
  • the optical measuring beam may be substantially coaxial with the laser beam 112.
  • the at least one feeder 130 is configured to dispense a powder jet as a feed.
  • the distance measurement can be effected by the interferometer unit by means of a static or movable optical measuring beam, such as for example by means of a measuring beam rotating around the machining laser or the laser beam 112 or deflected arbitrarily with respect to an optical axis of the laser device.
  • a measurement of the height of the build-up weld bead can take place, it being possible for the interferometer or the optical measuring beam to be statically positioned in the wake (unidirectionally, for example, along the machining direction 20).
  • a measurement in the lead and / or tail for example, the base material and / or order height done (eg statically positioned, uni-directional along the machining direction 20).
  • the apparatus 100 further includes a controller configured to operate the laser device 110 and / or. or the at least one delivery device 130 based to control and / or regulate at the distance measured by the interferometer.
  • the control can be based on an interferometry carried out in the forerun and / or after-run.
  • process control and / or process control may be based on the distance measured by the interferometer.
  • a machining speed, a laser power, a laser focus, and / or operating parameters of the feeder may be controlled based on the interferometry.
  • the interferometry may be performed for quality control of the area machined by the device, such as a build-up weld bead.
  • the at least one feed device 130 is selected from a group consisting of a ring jet powder nozzle, a multi-jet powder nozzle, and an off-axis powder nozzle.
  • An off-axis powder nozzle 132 (also referred to as a "side powder nozzle”) is shown by way of example in Figure 1.
  • the off-axis powder nozzle 132 is a lightweight, simple and robust system that is particularly easy to access, even with poorly accessible welding positions distinguished.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an additive manufacturing apparatus 200 having a movable optical measuring beam according to embodiments of the present disclosure, such as a rotating optical measuring beam.
  • the interferometer 140 may be configured to movably or dynamically provide the optical measuring beam with respect to the laser beam 112.
  • the interferometer 140 may be configured to rotate the optical measuring beam about the laser beam 112.
  • the optical measuring beam may scan a two-dimensional contour, such as a circular contour, on the workpiece 10.
  • a topography measurement for example, the hardfacing bead can take place.
  • the apparatus 200, and in particular the interferometer 140 may include a drive 210 that is configured to move or scan the optical measuring beam over the workpiece.
  • the interferometer 140 includes one or more optical elements, such as lenses, mirrors or wedge plates, which deflect the optical measuring beam to direct it to the workpiece 10. At least one optical element of the one or more optical elements may be movable to move or scan the optical measuring beam over the workpiece 10.
  • the drive may be a mechanical drive, eg, a rotary drive, that moves the interferometer 140 to move or scan the optical measuring beam over the workpiece 10.
  • FIGS. 3A and B show a schematic representation of an apparatus 300 or a beam path for additive fabrication with a static optical measurement beam 142 according to embodiments of the present disclosure.
  • the apparatus 300 includes a ring jet powder nozzle 330.
  • the ring jet powder nozzle 330 may be configured to dispense a powder jet as a feed material.
  • the optical measuring beam 142 may be substantially coaxial or inclined with respect to the laser beam 112.
  • the powder jet 134 may be directed to a first point or first area outside the annular jet powder nozzle 330, which may be at or above the processing area of the workpiece.
  • the laser beam 112 may be directed to a second point (e.g., a focal point) or second area outside of the torch jet nozzle 330, which may be at the processing area.
  • the first point and the second point may overlap or may be mutually objectionable.
  • the first point or first area may be located about 20 mm outside (eg below) an exit of the annular jet powder nozzle 330 and / or an exit of the focusing optic 120.
  • the second point or second area may be located about 23.5 mm outside (eg, below) the exit of the annular jet powder nozzle 330 and / or the exit of the focusing optics 120.
  • the numbers are merely exemplary and are not intended to limit the embodiment illustrated in FIG. 3B.
  • the first point and the second point can be arranged vertically one above the other be.
  • the optical measuring beam 142 may be directed to a point or area of the workpiece that is horizontally offset from the first point and / or second point.
  • FIGS. 4A and B show a schematic representation of a device 400 or a beam path for additive manufacturing with a movable, e.g. rotating optical measuring beam according to embodiments of the present disclosure.
  • the apparatus 400 comprises the annular jet powder nozzle 330 as described with reference to FIGS. 3A and B.
  • the optical measuring beam is dynamic, i. locally movable.
  • the optical measuring beam can rotate about the laser beam 112 and / or the optical axis of the focusing optics 120.
  • the optical measuring beam may scan a two-dimensional contour 242, such as a circular contour, on the workpiece 10.
  • a topography measurement for example, the hardfacing bead can take place.
  • the optical measuring beam 142 may be substantially coaxial or inclined with respect to the laser beam 112.
  • FIGS. 5A and B show a schematic illustration of a device 500 or a beam path for additive manufacturing with a static optical measuring beam 142 according to further embodiments of the present disclosure.
  • the apparatus 500 includes a multi-jet powder nozzle 530.
  • the multi-jet powder nozzle 530 may include at least two powder nozzles 532 configured to supply a respective powder jet to the processing area on the workpiece.
  • the multi-jet powder nozzle 530 includes four powder nozzles 532 arranged at an angle to one another.
  • the powder jets 134 of the at least two powder nozzles 532 may be directed to a first point or first area outside of the multi-jet powder nozzle 530, which may be at or above the processing area of the workpiece.
  • the laser beam 112 may be directed to a second point (eg, a focal point) or a second area outside of the multi-jet powder nozzle 530, which may be at the processing area can.
  • the optical measuring beam 142 may be substantially coaxial or inclined with respect to the laser beam 112.
  • the first point and the second point may overlap, or may be spaced apart.
  • the first point or first region may be located about 14 mm outside (e.g., below) an exit of the multi-jet powder nozzle 530 and / or an exit of the focusing optic 120.
  • the second point or second area may be disposed about 0.8 mm further, that is about 14.8 mm, outside (e.g., below) the exit of the multi-jet powder nozzle 530 and / or the exit of the focusing optics 120.
  • the numbers are merely exemplary and are not intended to limit the embodiment shown in FIG. 5B.
  • the first point and the second point may be arranged vertically one above the other.
  • the optical measuring beam 142 may be directed to a point or area of the workpiece that is horizontally offset from the first point and / or second point.
  • FIGS. 6A and B show a schematic representation of an apparatus 600 or of a beam path for additive production with a rotating optical measuring beam according to further embodiments of the present disclosure.
  • the apparatus 600 includes the multi-jet powder nozzle 530 as described with reference to FIGS. 5A and B.
  • the optical measuring beam is dynamic, i. locally movable.
  • the optical measuring beam can be rotated about the laser beam 112 and / or the optical axis of the focusing optical system 120 or can be radiated in a deflected manner in this regard.
  • the optical measuring beam may scan a two-dimensional contour, such as a circular contour, on the workpiece 10.
  • a topography measurement for example, the hardfacing bead can take place.
  • the optical measuring beam 142 may be substantially coaxial or inclined with respect to the laser beam 112.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of an apparatus 700 for additive manufacturing according to still further embodiments of the present disclosure.
  • the device 700 may be configured for wire plating.
  • the at least one feeder 730 is configured to dispense a wire 731 as a feed material.
  • the wire 731 may be, for example, a metal wire.
  • the optical measuring beam 742 may be provided off-axis or substantially coaxial with the laser beam. With an off-axis measuring beam provided in a separate optical path (e.g., oblique incidence in the wake), a topography measurement may be performed, for example, with a 1D or 2D oscillation in the wake. In the beam-coaxial configuration, a measurement of the height of the build-up weld bead may be made and the interferometer 740 may be statically positioned in the wake (uni-directionally, for example, along the machining direction). In addition, in the case of a dynamic or movable configuration, a topography can be measured, for example, using at least two rotatably mounted wedge plates 744 (multi-directional).
  • the optical measuring beam 742 is split by the two wedge plates 744 into two partial beams.
  • FIG. 8 shows a flowchart of a method 800 for additive production according to embodiments of the present disclosure. The method may be implemented using the additive manufacturing apparatus described herein.
  • the method includes, in step 810, directing a laser beam onto a processing area of a workpiece and feeding a feed material to the processing area.
  • the method further comprises, in step 820, measuring a distance to the workpiece using an interferometer unit comprising an interferometer.
  • FIG. 9A shows a linear scan figure 144 of the optical measuring beam 142.
  • the optical measuring beam 142 between a position in the forward and a position in the wake, ie parallel to the machining direction, reciprocated and can thereby detect the geometry or the profile of the weld bead 12.
  • the measurement result of this linear scanning movement 144 is shown in FIG. 9B:
  • FIG. 9B shows a height profile of FIG Weld bead 12 along the processing direction shortly before and shortly after the processing point or the laser beam 112.
  • FIGS. 9C and 9D show alternative scanning movements 144:
  • the optical measuring beam 142 is guided in a circle around the processing point or the laser beam 112, for example. sequentially) in the pre- and post-run.
  • FIG. 9C shows a linear scan figure 144 of the optical measuring beam 142 between a position in the forward and a position in the wake, ie parallel to the machining direction, reciprocated and can thereby detect the geometry or the profile of the weld bead
  • two optical measuring beams are guided together along a circular figure around the processing point or the laser beam 112, so that it is possible to measure simultaneously in the forward and the after-run.
  • a lateral topography of the weld bead 12 along the scan figure can be detected.
  • the scanning figure or scanning movement 144 can be carried along in the machining direction.
  • the optical measuring beam (s) 142 may have at least one of the following central wavelengths: 1550 nm, 1310 nm, 1080 nm, 1030 nm and 830 nm.
  • an intended component height is derived from a CAD model of the component 1020 and, using a CAM model for manufacturing the component 1020, a layer height 1040 for applying a layer is determined by means of laser deposition welding.
  • the layer height 1040 forms a controlled variable of the method 1010 according to the invention.
  • This controlled variable is transmitted to a controller 1050, which determines from the intended layer height 1040 a set of process parameters 1060 for laser deposition welding, which serve as manipulated variables of the method 1010 according to the invention.
  • the process parameters 1060 include in the illustrated embodiment, a power of a light 1065 of the laser 1030 and a position of a focus of the laser 1030 and a material flow of a powdered welding material 1070 through a nozzle 1080 of a process head 1090 of the inventive manufacturing device 1035th
  • the component 1020 is welded by laser deposition welding 1095.
  • Laser deposition welding 1095 results in an actual height 1096 of the layer, which is determined by the distance of the nozzle 1080 of the process head 1090 from the component 1020.
  • This determination is carried out by means of an optical coherence tomograph 1097, by means of which a measuring light 2100 of a light source 2110 of the coherence tomograph is coupled into the beam path 2115 of the laser 1030 which is used to manufacture the component 1020 in the process head 1090.
  • the light of the laser 1030 and the measuring light 2100 are brought together by means of a partially transmissive mirror 2117 in the direction downstream of the light 1065 of the laser 1030 to the nozzle 1080 and separated from the nozzle 1080 upstream of the light 1065 of the laser 1030.
  • the light of the laser 1030 and the measuring light 2100 do not coincide spectrally, so that the measuring light 2100 can be evaluated largely undisturbed by portions of the light of the laser 1030.
  • Reflections of the measuring light 2100 of the light source 21 lO occurring in the case of laser cladding pass back into the beam path 2115 in the process head 1090.
  • the reflections are coupled out and interferometrically compared with the measuring light 2100 of the light source 2110 originally fed into the process head 1090. From this comparison, the distance is obtained.
  • the coherence tomograph 1097 and the optical beam path 2115 contained in the process head 1090, including the optical elements located in the beam path 2115, cooperatively form a distance sensor.
  • This distance sensor is known per se and known for other than the welding processes described here, namely for laser welding, as an in-process depth meter of the company Precitec GmbH and described in the document DE10 102014 011 569 AI.
  • this distance sensor requires a filtering of the obtained Ab Stands signals: Because in contrast to the already known use of the distance sensor described above in laser welding process requires the use of the distance sensor for laser cladding a consideration of the influence of powdered welding material 1070, which from the nozzle 1080th out and deposited on the device 1020 and which blocks a portion of the optical signal of the proximity sensor. Because this welding material 1070 absorbs a large part of the measuring light 2100 of the light source 2110 of the coherence tomograph 1097. The filtering of the distance signals therefore ensures the robustness of the method according to the invention.
  • all the acquired distance values are initially recorded along a time window, in the present case 20 milliseconds, in further, not specifically illustrated exemplary embodiments, 4 milliseconds. Subsequently, from these detected distance values, a filter value is determined which is applied to temporally subsequent time windows of the same duration of 20 milliseconds (or 4 milliseconds in further embodiments).
  • a maximum filter is used, which filters out the largest measured distance values as a measure of the actual distance. If an analysis of the measured distance values in a time window shows that two-sided scattering occurs, then the distance value which combines most of the measured data, that is, is used.
  • the measured data are subjected to filtering according to the highest frequency value in the distribution of the distance values, ie a "mode filter.” This filtering takes into account the fact that the distance value with the highest density of measured data reliably indicates the distance to the molten bath.
  • the temperature of a molten bath 2140 formed during laser buildup welding can be determined.
  • the molten bath 2140 is observed, for example, with a CCD camera 2150 of the production facility 1035.
  • a portion of the light passing from the molten bath 2140 through the nozzle 1080 into the optical path 2115 of the processing head 1090 is coupled out with a partially transmissive mirror 2145 and imaged onto the CCD camera 2150.
  • the CCD camera 2150 is connected to an evaluation device 2155 of the production device 1035.
  • the evaluation device 2155 evaluates, via an algorithm, the image of the molten bath 2140 recorded with the CCD camera 2150 and determines a mean diameter of the molten bath 2140.
  • the evaluation device 2155 contains Calibration data, by means of which from the average diameter of the molten bath 2140 is closed to the temperature of the molten bath 2140.
  • the CCD camera 2150 and the evaluation device 2155 can be handled in one piece in the processing head 1090, i. together with the machining head 1090 can be handled in one piece, so that the machining head 1090 with its housing (not shown in FIGS. 11, 12 and 13) reliably protects the CCD camera 2150 and the evaluation device 2155 from the harsh process conditions prevailing during laser deposition welding.
  • a constant held flow of material of the powdered welding material 1070 can be detected by the nozzle 1080. The material flow is kept constant as it has a long delay time which limits the benefit of fast process feedback.
  • a powder sensor 2160 in a powder feed line 2165 in the processing head 1090 observes the current material flow of the welding material 1070 and detects it as a volume flow.
  • the detection of the volumetric flow makes it possible to adapt the production process due to changes in the volumetric flow of the welding material 1070 by setting the process parameters 1060.
  • the powder sensor 2160 used in the exemplary embodiment shown is an optical flow meter which determines the proportion of the area of the cross-section of a powdered welding material 1070 Output of a powder conveyor (not detailed in the drawing) determined.
  • the powder conveyor is arranged in the processing head 1090 for feeding the nozzle 1080 with welding material 1070, so that the welding material 1070 reaches the nozzle 1080 in a manner known per se for laser deposition welding and can be applied to the component 1020.
  • a quadratic function of the volume flow is proportional to the proportion of the area occupied by the powdered welding material 1070 of the cross section of the output of the powder conveyor.
  • the volume flow of the welding material 1070 is taken into account by the controller 1050 in order to correctly realize the intended geometry of the component 1020 during laser buildup welding 1095.
  • the controller 1050 is implemented as a PC system.
  • the controller 1050 can be used in further embodiments, which in the Incidentally correspond to the illustrated embodiment, be designed as a CNC controller. Additional external hardware and software control devices are dispensable in this further embodiment. Process sensors are connected directly to the CNC controller via a fast bus interface.
  • the controller 1050 determines an adjusted set of process parameters 1060 for laser deposition welding 1095.
  • the process parameters become such adapted that geometric deviations of the manufactured by laser deposition welding 1095 component 1020 are minimized so that at most deviations occur below a specified tolerance threshold. Accordingly, the component 1020 is manufactured reliably and sturdily.
  • the feed material is a powder or a wire.
  • the method may in particular be a method for laser metal deposition (LMD).
  • laser based additive manufacturing is combined with sensor based interferometry (statically or dynamically deflected) for process monitoring and / or process control based on the measurement of geometrical distances and topgraphs in or around the interaction zone provided between the processing laser and the workpiece.
  • the optical measuring beam can be radiated, for example by a laser deposition welding head through either the powder flow (powder deposition welding) or past the wire static or precise and highly dynamic, so that sequential or parallel measurement tasks can be performed.
  • a measurement task can be a topography measurement in the forerun (z position of the workpiece surface) as a reference measurement or for process control.
  • Another measuring task can be a topography measurement in the wake for determining the geometry of the surfacing bead, for example for Error detection.
  • the measurement results can be used to control process input variables (eg laser power, powder flow, wire feed, process speed).

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung (100) zur additiven Fertigung. Die Vorrichtung (100) umfasst eine Laservorrichtung (110) zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls (112), wobei die Laservorrichtung (110) eingerichtet ist, um den Laserstrahl (112) auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks (10) zu lenken, wenigstens eine Zuführvorrichtung (130) für ein Zuführmaterial, die eingerichtet ist, um das Zuführmaterial dem Bearbeitungsbereich zuzuführen, und ein Interferometer (140), das eingerichtet ist, um mittels eines optischen Messstrahls (142) einen Abstand zum Werkstück (10) zu messen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fer- tigung. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen (Laser Metal Deposition, LMD).
Stand der Technik Laserauftragsschweißen (Laser Metal Deposition, LMD oder Cladding) verwendet einen Laserstrahl und ein Zuführmaterial, um auf einem Werkstück Material aufzutragen. Der Laserstrahl erzeugt auf einer Oberfläche des Werkstücks ein Schmelzbad. Durch eine Düse wird Metallpulver oder Draht eingebracht. Es entstehen miteinander verschweißte Materialbereiche, die Strukturen an bestehenden Werkstücken oder neue Strukturen ergeben.
Es ist bekannt, Beschichtungen und dreidimensionale Schichtstrukturen mittels Laserauftragschweißens zu fertigen. Inzwischen werden auch komplexere dreidimensionale Bauteile mittels Laserauftragschweißens gefertigt. Das Laserauftragschweißen erfordert ein präzises Einstellen einer Vielzahl von Prozessparametern, wobei lediglich in einem kleinen Bereich von Prozessparametern um einen Arbeitspunkt eine zufriedenstellende Fertigung erfolgen kann. Entsprechend besteht derzeit ein hohes Interesse daran, die Prozessparameter beim Laserauftragschweißen geeignet zu einzustellen.
Zur Prozessteuerung und Prozesskontrolle können Messtechniken verwendet werden, um bei- spielsweise den verschweißten bzw. aufgetragenen Materialbereich, die Emissionen aus der Wechselwirkungszone oder das Schmelzbad und dessen Geometrie zu untersuchen. Bekannten Verfahren, wie beispielsweise kamerabasierte Verfahren zur Schmelzbadgeometrieanalyse oder pyrometerbasierte Verfahren zur Temperaturmessung, basieren auf Sekundäremissionen aus dem Wechselwirkungsprozess und können keine oder nur sehr bedingt Aussage über eine absolute Geometrie geben. Die Angabe der Höhe und/oder der vollständigen Geometrie des additiv erzeugten Bauteils bzw. der additiv erzeugten Schweißraupe ist jedoch eine wertvolle Information zur Angabe der Bearbeitungsqualität und/oder für die Prozessführung. Aus der DE 10 2014 219 656 AI ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur von Komponenten wie Gasturbinen-Komponenten, beispielsweise von Lauf- oder Leitschaufeln, bekannt, bei dem subtraktive und additive Verfahrensschritte in einem Hyb- ridverfahren kombiniert werden. Durch online-Monitoring unter Verwendung des oben erwähnten Pyrometers können Prozessparameter wie Konturen, Temperatur, Material und/oder Oberflächenbeschaffenheit geprüft und gesteuert werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung bereitzustellen, die eine verbesserte Prozesskontrolle, insbesondere Prozessregelung und/oder Prozessteuerung, bereitstellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Topographie eines verschweißten Materialbereichs an einem Werkstück oder einer generierten Struktur zu bestimmen. Ferner ist es auch Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Fertigungseinrichtung zum Laserauftragschweißen zu schaffen, wobei eine zuverlässige Fertigung insbesondere von dreidimensionalen Bauteilen ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche und die Aspekte dieser Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt ist eine Vorrichtung zur additiven Fertigung angegeben. Die Vorrich- tung umfasst eine Laservorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, wobei die Laservorrichtung eingerichtet ist, um den Laserstrahl auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks zu richten, wenigstens eine Zuführvorrichtung für ein Zuführmaterial, die eingerichtet ist, um das Zuführmaterial dem Bearbeitungsbereich zuzuführen, und eine Interferometereinheit, die eingerichtet ist, um mit- tels mindestens eines optischen Messstrahls eine Oberfläche des Werkstücks, wie etwa einen Abstand zum Werkstück, bzw. zwischen der Vorrichtung und der Werkstückoberfläche, und/oder eine Topographie der Werkstückoberfläche, zu messen. Gemäß anderen Ausführungsformen ist ein Verfahren zur additiven Fertigung angegeben. Das Verfahren umfasst ein Richten eines Laserstrahls auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks, ein Zuführen eines Zuführmaterials zum Bearbeitungsbereich, und ein Messen einer Oberfläche des Werkstücks, wie etwa Messen eines Abstands zum Werkstück und/oder einer Topographie der Werkstückoberfläche, unter Verwendung einer Interferometereinheit.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen kann der mindestens eine optische Messstrahl statisch bezüglich des Laserstrahls bereitgestellt sein. Alternativ kann der mindestens eine opti- sehe Messstrahl dynamisch, d.h. beweglich, bezüglich des Laserstrahls bereitgestellt sein. Mit anderen Worten kann der optische Messstrahl eine vorgegebene Scanbewegung ausführen bzw. eine Scanfigur abfahren. Die Interferometereinheit kann ein Interferometer zur Bereitstellung eines Referenzstrahls und des optischen Messstrahls umfassen. Weiterhin kann die Interferometereinheit eine Auswertungseinheit zum Auswerten der von dem Interferometer erfassten Daten umfassen. Insbesondere kann die Interferometereinheit ein Interferometer umfassen, das eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl Bewegungen durchführen zu lassen, wie insbesondere lineare oder rotierende Bewegungen, einzeln oder kombiniert. Die vom Messstrahl ausgeführte Scanbewegung kann also kreisförmig oder linear oder auch die Form einer 8 haben. Die lineare Scanbewegung kann parallel zu einer Bearbeitungsrichtung sein oder einen Winkel dazu aufweisen. Der optische Messstrahl kann im Vorlauf und/oder im Nachlauf und/oder durch ein Schmelzbad geführt werden. Zwei oder mehr optische Messstrahlen können abhängig voneinander oder unabhängig voneinander bewegt werden. In einem Beispiel können zwei oder mehr Messtrahlen gemeinsam eine rotierende Bewegung, z.B. um die Strahlachse des Laserstrahls in Bearbeitungsrichtung, ausführen.
Beispielsweise können zwei optische Messstrahlen verwendet werden, einer im Vorlauf und einer im Nachlauf. Der optische Messstrahl kann hierfür in zwei Teilstrahlen aufgespalten sein, die gleichzeitig im Vorlauf und im Nachlauf geführt werden können. Die Teilstrahlen können beweglich vorgesehen sein.
Der mindestens eine optische Messstrahl kann eine oder mehrere der folgenden Wellenlängen umfassen: 1550 nm, 1310 nm, 1080 nm, 1030 nm und 830 nm. Diese Wellenlängen können eine Zentralwellenlänge eines zugehörigen Wellenlängenbereichs des optischen Messstrahls sein.
In bevorzugten Ausführungsformen kann die Interferometereinheit dazu eingerichtet sein, anhand der Abstandsmessung eine Lage der Oberfläche des Werkstücks und/oder eine Topographie der Oberfläche des Werkstücks zu bestimmen.
Weiterhin kann die Interferometereinheit eingerichtet sein, um einen Abstand zum Bearbeitungsbereich und/oder einen Abstand zu einem Bereich des Werkstücks, der benachbart zum Bearbeitungsbereich liegt, zu messen.
Das Interferometer kann ein Kohärenz-Interferometer oder ein Kurzkohärenz-Interferometer umfassen.
Das Interferometer kann eingerichtet sein, um den mindestens einen optischen Messstrahl in einen Strahlengang der Laservorrichtung einzukoppeln. Das Interferometer kann auch einen vom Strahlengang der Laservorrichtung getrennten Strahlengang für den optischen Messstrahl umfassen.
In einem Ausführungsbeispiel kann die wenigstens eine Zuführvorrichtung eingerichtet sein, um ein Pulver oder einen Draht als Zuführmaterial zuzuführen.
Die wenigstens eine Zuführvorrichtung kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die aus einer Ringstrahlpulverdüse, einer Mehrstrahlpulverdüse, und einer Off-Axis-Pulverdüse ausgewählt ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können der mindestens eine optische Messstrahl und der Laserstrahl koaxial oder im Wesentlichen koaxial sein. Alternativ oder zusätzlich kann der optische Messstrahl aber auch bezüglich des Laserstrahls bzw. bezüglich einer optischen Achse der Laservorrichtung geneigt sein. Das Interferometer kann eingerichtet sein, um den mindestens optischen Messstrahl statisch bezüglich des Laserstrahls bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Interferometer eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl beweglich bezüglich des Laserstrahls bereitzustellen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Steuerung vorgesehen sein, um die Laservorrichtung und/oder die wenigstens eine Zuführvorrichtung basierend auf dem durch die In- terferometereinheit gemessenen Abstand zu steuern. Beispielsweise kann die Steuerung eingerichtet sein, um zumindest eine Prozesseingangsgröße ausgewählt aus Bewegungsrichtung der Vorrichtung bezüglich des Werkstücks, Bewegungsgeschwindigkeit bezüglich des Werkstücks, Pulverstromgeschwindigkeit, Pulvermenge, Pulverzusammensetzung, Pulverzuführrichtung, Drahtzuführrichtung, Drahtvorschubgeschwindigkeit, Arbeitsabstand, Prozessgaszusammensetzung, Prozessgasdruck, La- serfokusdurchmesser, Lage der optischen Achse, Laserfokuslage, Laserpulsweite und Laserleistung zu regeln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Laserauftragsschweißkopf sein oder eine solche umfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für ein Verfahren für Laser Metal Deposition (LMD) oder Cladding eingerichtet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Verfahren für Laser Metal Deposition (LMD) oder Cladding umfassen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, während der additiven Fertigung, d.h. während des Laserauftragschweißens, zumindest eine physikalische Größe des Fertigungsprozesses aus der Abstandsmessung zu bestimmen, wie z.B. eine Lage und/oder Topographie der Werkstückoberfläche und/oder eine geometrische Größe einer während des Prozesses gefertigten Schweißraupe (auch als Bauteil bezeichnet) und/oder eine davon abgeleitete Größe und/oder eine Höhe einer aufgetragenen Schicht und/oder eine davon abgeleitete Größe. Alternativ kann auch eine oder mehrere zusätzliche physikalische Größen erfasst werden, wie etwa eine Laserleistung und/oder eine Abmessung des Laserfokus und/oder eine Zufuhrgeschwindigkeit eines Zuführmaterials und/oder ein Materialstrom des Zuführmaterials und/oder einer Abmessung bzw. einem Durchmesser eines während des Prozesses entstehenden Schmelzbads und/oder eine Temperatur des Schmelzbads und/oder eine von einer oder mehreren der vorgenannten Größen abgeleitete Größe. Hierfür können entsprechende Erfassungsmittel vorgesehen sein.
Die zumindest eine physikalische Größe kann fortlaufend oder in Zeitabständen von höchstens 100 Millisekunden, vorzugsweise höchstens 20 Millisekunden und zweckmäßig höchstens 5 Millisekunden, vorteilhaft in gleichen Zeitabständen, erfasst bzw. bestimmt werden.
Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein, abhängig von der zumindest einen bestimmten oder erfassten physikalischen Größe und/oder ihrem Verlauf mindestens ein Prozessparameter der additiven Fertigung einzustellen, wie z.B. eine Fokusposition und/oder eine Laserleistung.
Der zumindest eine Prozessparameter kann derart eingestellt werden, dass Abweichungen von einem Modell des Bearbeitungsbereichs bzw. der Schweißraupe und/oder von einem Modell des additiven Fertigungsprozesses unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und/oder minimiert werden, vorzugsweise mittels eines Regelungsverfahrens. Hierfür kann die Vor- richtung eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, den zumindest einen Prozessparameter derart einzustellen, dass Abweichungen von dem Modell unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und vorzugsweise minimiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum additiven Laserauf - tragschweißen eines Bauteils mittels eines Lasers angegeben, umfassend: Erfassen zumindest einer physikalischen Größe des Schweißprozesses während des Laserauftragschweißens, und Stellen mindestens eines Prozessparameters des Verfahrens abhängig von der zumindest einen erfassten physikalischen Größe und/oder ihrem Verlauf. Unter additivem Laserauftragschweißen wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung zweckmäßig das additive Fertigen von bevorzugt dreidimensionalen Strukturen mittels Laserauftragschweißens verstanden. Unter dem Begriff des Schweißprozesses wird zweckmäßig der Vorgang des Laserauftragsschweißens verstanden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich ein Bauteil auch bei einer durch Drift oder sonstigen Störeinflüssen bewirkten Änderung von physikalischen Größen des Laserauftragsschweißens präzise fertigen. Die Abweichungen von der Sollgestalt des Bauteils lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geringhalten. Mittels der Anpassung von Prozessparametern aufgrund des Werts oder des Verlaufs der physikalischen Größen kann folglich eine hohe Fertigungsgüte und eine hohe Prozesstreue erreicht werden.
Insbesondere lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch dreidimensionale Schichtstrukturen und Bauteile mittels Laserauftragschweißens fertigen, indem eine Vielzahl von Prozessparametern zur Realisierung der angestrebten Bauteilgeometrie passgenau eingestellt werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine additive Fertigung auch komplexerer Bauteile mit der für die industrielle Anwendung erforderlichen Zuverlässigkeit daher leicht umgesetzt werden.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die physikalische Größe zumindest eine geometrische Größe des während des Schweißprozesses gefertigten Bauteils und/oder eine davon abgeleitete Größe und/oder eine Höhe einer beim Laserauftragschweißen aufgetragenen Schicht und/oder eine davon abgeleitete Größe. Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine geometrische Größe eine Höhe des Bauteils oder der Schicht in Richtung zu einer Strahlrichtung des zum Laserauftragschweißen herangezogenen und auf das Bauteil treffenden Lasers. Zweckmäßig wird zum Laserauftrag- schweißen ein Bearbeitungskopf herangezogen. Vorteilhaft erlaubt dieser Bearbeitungskopf eine Abstandsmessung des Bearbeitungskopfes zum Bauteil, geeigneterweise mittels Kohärenztomographie. Auf diese Weise lässt sich der Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil berührungslos messen. Vorteilhafterweise lässt sich aus dem Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil die Höhe des Bauteils in Richtung auf den Bearbeitungskopf zu leicht ermitteln, soweit die Position des Bearbeitungskopfes zu einer Referenzposition, etwa einer Stelle an einer dem Bearbeitungskopf abgewandten Seite des Bauteils oder einer Stelle eines Substrats, an welchem dieses Seite des Bauteils anliegt, bekannt ist. Zweckmäßig ist die Fertigung seinrichtung eingerichtet, die relative Position des Bearbeitungskopfes zu einer solchen Referenzposition zu erfassen.
Vorzugsweise ist unter einer„Höhe des Bauteils" im Rahmen dieser Erfindung die aktuell an dem Ort des Materialauftrags beim Laserauftragschweißen erreichte Höhe des Bauteils zu verstehen: Wie beim 3D-Drucken an sich bekannt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Laserauftragsschweißen das Bauteil bevorzugt schichtweise gefertigt, indem mehrere Schichten aufeinanderfolgend aufeinander aufgetragen werden. Dazu wird vorzugsweise mithilfe eines CAD-Modells des Bauteils ein CAM-Modell (CAM = (engl.)„Com- puter Aided Manufacturing") generiert, welches eine Fertigung aufeinanderfolgender Schichten des Bauteils mittels Laserauftragschweißens vorsieht. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist daher die aktuelle Höhe des Bauteils durch die in vorhergehenden Fertigungsschritten bereits erreichte Höhe des Bauteils sowie durch die Höhe der aktuell gefertigten Schicht bestimmt. Folglich kann erfindungsgemäß je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens bevorzugt die aktuelle Höhe des Bauteils oder aber alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt die Höhe der aktuell aufgetragenen Schicht als die zumindest eine physikalische Größe herangezogen werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin- dung zum Laserauftragschweißen eine Zufuhreinrichtung, insbesondere ein Pulverförderer, für ein Schweißmaterial herangezogen und die zumindest eine physikalische Größe ist zumindest ein Zufuhrstrom oder Materialstrom des Schweißmaterials und/oder eine Zufuhrgeschwindigkeit der Zufuhreinrichtung und/oder eine von einer oder mehreren der vorgenannten Größen abgeleitete Größe. Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Laserauftragschweißen ein Bearbeitungskopf herangezogen, wobei die Zufuhreinrichtung idealerweise im Bearbeitungskopf untergebracht ist. Vorteilhafterweise lässt sich der Materialstrom oder die Zufuhrgeschwindigkeit der Zufuhreinrichtung oder eine abgeleitete Größe im Bearbeitungskopf selbst ermitteln, sodass keine Erfassungsmittel, wie etwa Sensoren, außerhalb des Bearbeitungskopfes herangezogen werden müssen. Folglich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch in beim Laserauftragschweißen typischen rauen Umgebungsbedingungen robust und zuverlässig durchführen. Geeigneter Weise ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die zumindest eine physikalische Größe zumindest eine Leistung des Lasers und/oder eine Abmessung eines Fokus des Lasers und/oder eine von einer oder mehreren der vorgenannten Größen abgeleitete Größe. Vorzugsweise erfolgt in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Laserauftragschweißen mit einem Schmelzbad und die zumindest eine physikalische Größe ist mindestens eine Abmessung des Schmelzbads und/oder eine Temperatur des Schmelzbades und/oder eine davon abgeleitete Größe. Zweckmäßig wird das Schmelzbad mit einer Kamera, insbesondere einer CCD-Kamera, erfasst und mittels Bildverarbeitung die zumindest eine Abmessung des Schmelzbades ermittelt. Es kann auch ein Bearbeitungskopf für das Laserauftragschweißen verwendet werden und die mindestens eine Größe ein Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil und/oder eine davon abgeleitete Größe sein. Vorteilhaft steht die Abmessung des Schmelzbades mit der Temperatur des Schmelzbades derart in Beziehung, dass eine größere Temperatur des Schmelzbades eine größere Abmessung des Schmelzbades bedingt. Folglich ist die zumindest eine Abmessung des Schmelzbades ein Maß für die Temperatur des Schmelzbades.
Zweckmäßig ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der zumindest eine Prozessparameter die Position und/oder der zeitliche Verlauf der Position des Fokus des Lasers relativ zum Bauteil und/oder eine davon abgeleitete Größe. Mittels der Position und/oder des zeitlichen Verlaufs des Fokus des Lasers lässt sich eine Auftragsrate und/oder ein räumliches Auftragsprofil beim Laserauftragschweißen leicht beeinflussen. So besteht beispielsweise beim Laserauftragschweißen eine Tendenz, dass das Schweißmaterial bei einer Beschleunigung des Fokus des Lasers und bei einem Abbremsen des Fokus des Lasers verstärkt oder räumlich heterogen auf dem Bauteil deponiert wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich folglich eine Höhe einer aufgetragenen Schicht oder eine bestimmte Ab Scheidung srate in einem bestimmten Bereich des Bauteils gewissermaßen maßgeschneidert, d.h. genau auf ein vorher festgelegtes geometrischen Modell des zu fertigenden Bauteils abzielend, anpassen.
Geeigneter Weise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Größe fortlaufend, d.h. kontinuierlich, oder in Zeitabständen von höchstens 100 Millisekunden, vorzugsweise höchstens 20 Millisekunden und zweckmäßig höchstens 5 Millisekunden, vorteilhaft in gleichen Zeitabständen, erfasst. Auf diese Weise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine für das Laserauftragschweißen hinreichend kontinuierliche Rückkopplung der zumindest einen Größe gewährleistet, sodass der zumindest eine Prozessparameter ausrei- chend schnell stellbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei dem Verfahren der zumindest eine Prozessparameter derart gestellt, dass Abweichungen von einem Modell des Bauteils und/oder des Laserauftragschweißens unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und/oder minimiert werden, vorzugsweise mittels eines Regelungsverfahrens. Folglich lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens das Bauteil geometrisch hochpräzise fertigen. Besonders bevorzugt wird das Bauteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren schichtweise gefertigt. Geeigneterweise wird dabei der zumindest eine Prozessparameter derart gestellt, dass die aktuelle Höhe des Bauteils der in einem Prozessmodell des erfindungsgemäßen Ver- fahrens vorgesehenen aktuellen Höhe des Bauteils entspricht. Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls besonders bevorzugt wird die Höhe der aktuell gefertigten Schicht aus dem Modell des Laserauftragsschweißens, etwa einem CAM-Modell des Laserauftragsschweißens, bestimmt und die Höhe der aktuell gefertigten Schicht innerhalb vorgegebener Grenzen, also nahezu konstant, gehalten.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Regelung unternommen, bei welcher die zumindest eine physikalische Größe eine Regelgröße und der zumindest eine Prozessparameter eine Stellgröße bildet. Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die physikalische Größe die aktuelle Höhe des Bauteils und/oder die Höhe einer aktuell beim Laserauftragschweißen aufgetragenen Schicht.
In einem weiteren Aspekt wird eine Fertigung seinrichtung zum additiven Laserauftragschweißen eines Bauteils mittels eines Lasers angegeben und ist insbesondere zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum additiven Laserauftragschweißen wie oben be- schrieben eingerichtet. Die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung umfasst mindestens ein Erfassungsmittel zum Erfassen zumindest einer physikalischen Größe des Schweißprozesses sowie mindestens ein Stellmittel zur Stellung mindestens eines Prozessparameters abhängig von der zumindest einen erfassten physikalischen Größe und/oder ihrem Verlauf. Die Abhängigkeit der Stellung des zumindest einen Prozessparameters von der erfassten zumindest einen Größe wird zweckmäßig mittels einer Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung gesteuert.
Die Fertigungseinrichtung weist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einen Bearbeitungskopf zum Laserauftragschweißen sowie eine Abstandserfassungseinrichtung auf, welche zur Messung des Abstands des Bearbeitungskopfs vom Bauteil ausgebildet ist und/oder welche einen Kohärenztomographen aufweist oder mit einem solchen optisch verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich der Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil berührungslos messen. Vorteilhaft lässt sich aus dem Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil die Höhe des Bauteils in Richtung auf den Bearbeitungskopf zu leicht ermitteln, soweit die Position des Bearbeitungskopfes zu einer Referenzposition wie bereits oben zum erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben bekannt ist. Zweckmäßig ist die Fertigung seinrichtung einge- richtet, die relative Position des Bearbeitungskopfes zu einer solchen Referenzposition zu erfassen.
Die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr pulverförmigen Schweißmaterials zum Laserauftragschweißen, sowie mindestens ein Erfassungsmittel zur Erfassung der Zufuhrgeschwindigkeit und/oder des Materialstroms des Schweißmaterials. Geeigneterweise wird der Materialstrom als Volumenstrom und/oder Massenstrom erfasst. Insbesondere der Volumenstrom lässt sich mit bildgebenden Mitteln leicht erfassen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Fertigung seinrichtung mindestens ein Erfassungsmittel zur Erfassung zumindest einer Abmessung eines beim Laserauftragschweißen entstehenden Schmelzbads und/oder mindestens ein Erfassungsmittel zur Erfassung der Temperatur des Schmelzbads und/oder mindestens ein Erfassungsmittel zur Erfassung der Leistung des Lasers. Vorteilhafterweise ist die Leistung des Lasers eine interne Größe, die beispielsweise über eine bevorzugt vorhandene Steuereinrichtung der Fertigungseinrichtung, insbesondere in Gestalt eines PC- oder CNC-Controllers, erfassbar ist. Zweckmäßig umfasst das Erfassungsmittel zur Erfassung der Temperatur des Schmelzbades ein Erfassungsmittel zur Erfassung zumindest einer Abmessung des Schmelzbades. Denn die Abmessung des Schmelzbades hängt von der Temperatur des Schmelzbades derart ab, dass eine höhere Temperatur des Schmelzbades eine höhere Abmessung des Schmelzbades bedingt. Vorzugsweise umfasst das Erfassungsmittel zur Erfassung der zumindest einen Abmessung zumindest eine CCD-Kamera, welche ein Abbild des Schmelzbades erfasst. Die Abmessung kann nun, etwa mittels einer vorzugsweise vorgesehenen Auswerteeinrichtung, bestimmt werden, sodass daraus die Temperatur, etwa mittels vorab bestimmter Kalibrierdaten, ermittelt werden kann. Geeigneter Weise umfasst bei der erfindungsgemäßen Fertigung seinrichtung das mindestens eine Stellmittel mindestens ein Stellmittel zur Stellung der Position des Fokus des Lasers oder dessen Verlauf und/oder mindestens ein Stellmittel zur Stellung der Leistung des Lasers. Wie bereits oben beschrieben lässt sich insbesondere über eine Beschleunigung des Fokus des Lasers die räumliche Materialab Scheidung besonders leicht beeinflussen. Bevorzugt ist das Stellmittel ein relativ zum Bauteil beweglicher, etwa innerhalb einer Ebene oder dreidimensional beweglicher, Bearbeitungskopf der Fertigungseinrichtung.
Zweckmäßig umfasst die Fertigung seinrichtung gemäß der Erfindung eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die eingerichtet ist, den zumindest einen Prozessparameter derart zu stellen, dass Abweichungen von einem Modell des Bauteils oder einem Prozessmodel zum Laserauftragschweißen unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und vorzugsweise minimiert werden. Folglich bildet in dieser Weiterbildung der Erfindung zumindest ein Teil der vorgesehenen geometrischen Gestalt des Bauteils eine Regelgröße des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bevorzugt umfasst die Fertigung seinrichtung eine Regelung, bei welcher die zumindest eine physikalische Größe eine Regelgröße und der zumindest eine Prozessparameter eine Stellgröße bildet. Es versteht sich von selbst, dass Aspekte der Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden können. Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Beschreibung.
Die Erfindung stellt eine Überwachung und/oder Regelung einer additiven Fertigung mittels Laserstrahlen und einem Zuführmaterial (auch als„Zuführmaterial" oder„Zusatzmaterial" bezeichnet) bereit. Das in Einsatz gebrachte Sensorprinzip ist die Interferometrie zur Abstandsmessung, wie beispielsweise eine optische Kurzkohärenz-Interferometrie. Die Interferometrie kann beispielsweise im Vorlauf des Prozesses zur Bestimmung der Lage der zu bearbeitenden Oberfläche und/oder im Nachlauf zur Messung der resultierenden Topographie des aufgetragenen Materials eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt damit eine online (oder in-situ) Sensortechnik zur exakten Vermessung des Prozessergebnisses in Form einer Geometriemessung bereit, wodurch eine verbesserte Prozesskontrolle, insbesondere eine verbesserte Prozessregelung und/oder Pro- zessteuerung erreicht werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Fol- genden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, Figur 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einem örtlich beweglichen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
Figuren 3A und B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsfor- men der vorliegenden Offenbarung, Figuren 4A und B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem örtlich beweglichen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, Figuren 5A und B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
Figuren 6A und B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem örtlich beweglichen optischen Messstrahl gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
Figur 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
Figur 8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur additiven Herstellung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Figur 9A bis 9C sind schematische Darstellungen für mögliche Führungen des optischen Messstrahls, und Figur 9D ist eine graphische Darstellung einer Messung mittels eines eine lineare Scanbewegung ausführenden optischen Messstrahls im Vor- und Nachlauf des Laserstrahls.
Figur 10 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum 3D-Drucken eines Bauteils schematisch in einer Prinzip skizze.
Figur 11 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung zum 3D-Drucken des Bauteils nach dem Verfahren gemäß Figur 10 schematisch im Längsschnitt. Fig. 12 zeigt einen Teil der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung gemäß Figur 11 zum 3D-Drucken des Bauteils nach dem Verfahren gemäß Figur 10 schematisch im Längsschnitt. Figur 13 zeigt eine Einzelheit der erfindungsgemäßen Fertigung seinrichtung gemäß Figuren 11 und 12 zum 3D-Drucken des Bauteils nach dem Verfahren gemäß Figur 10 schematisch im Längsschnitt. Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur additiven Fertigung bzw. eine Fertigung seinrichtung zum additiven Laserauftragschweißen mit einem statischen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 100 kann ein Laserauftragsschweißkopf sein. Die Vorrichtung 100 zur additiven Fertigung umfasst eine Laservorrichtung 110 zur Materialbearbeitung mittels eines Bearbeitungsstrahls bzw. Laserstrahls 112 (z.B. einen Laser-Bearbeitungskopf), wobei die Laservorrichtung 110 eingerichtet ist, um den Laserstrahl 112 auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks 10 zu richten, wenigstens eine Zuführvorrichtung 130 für ein Zuführmaterial, die eingerichtet ist, um das Zuführmaterial dem Bearbei- tungsbereich zuzuführen, und eine Interferometereinheit mit einem Interferometer 140, die eingerichtet ist, um mittels eines optischen Messstrahls einen Abstand zum Werkstück 10 zu messen. Die Vorrichtung 100 kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Bewegungsrichtung der Vorrichtung 100 bezüglich des Werkstücks 10 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungsrich- tung eine horizontale Richtung sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Interferometer, wie beispielsweise ein Kurzko- härenz-Interferometer, zur Abstandsmessung verwendet. Die Interferometrie kann beispielsweise im Vorlauf eines LMD-Prozesses zur Bestimmung der Lage der zu bearbeitenden Ober- fläche des Werkstücks und/oder im Nachlauf zur Messung der resultierenden Topographie des aufgetragenen Materials eingesetzt werden. Damit wird eine on-line Sensortechnik zur exakten Vermessung des Prozessergebnisses in Form einer Geometriemessung bereitgestellt, wodurch eine verbesserte Prozesskontrolle und/oder Prozessteuerung bzw. -regelung erreicht werden kann.
Wie beispielhaft in der Figur 1 dargestellt ist, kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl im Wesentlichen statisch bezüglich des Laserstrahls 112 bereitzustellen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und das Interferometer 140 kann eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl dynamisch, d.h. beweglich, bezüglich des Laserstrahls 112 bereitzustellen, wie es beispielsweise in den Figuren 2, 4A, 4B, 6A, 6B und 7 gezeigt ist.
Die Vorrichtung 100 kann gemäß Ausführungsformen für Laserauftragsschweißen (Laser Metal Deposition, LMD) verwendet werden, bei dem der Laserstrahl 112 und das Zuführmaterial eingesetzt werden, um auf dem Werkstück 10 Material aufzutragen. Wie in Figur 1 dargestellt ist, erzeugt der Laserstrahl 112 auf einer Oberfläche des Werkstücks 10 ein Schmelzbad 14. Mittels der Zuführvorrichtung 130, wie beispielsweise einer Düse 132, wird das Zuführmaterial, das beispielsweise ein Metallpulver sein kann, in das Schmelzbad 14 eingebracht. Es entstehen miteinander verschweißte Materialbereiche, die Strukturen, wie beispielsweise eine Schweißraupe 12, an bestehenden Werkstücken ergeben. Ebenso kann die Vorrichtung 100 für das sogenannte High-Speed Cladding eingesetzt werden, bei dem kein Schmelzbad erzeugt wird, sondern das geschmolzene Pulver auf die Werkstückoberfläche trifft und darauf abgelagert wird.
Die Vorrichtung 100, und insbesondere die Laservorrichtung 110, kann eine Fokussieroptik 120 zum Fokussieren des Laserstrahls 112 auf das Werkstück 10 umfassen. Die Fokussierop- tik 120 definiert eine optische Achse. Die Fokussieroptik 120 kann beispielsweise ein optisches System mit fester Brennweite oder mit variabler Brennweite (Zoom) sein. Die Fokussieroptik 120 kann mindestens ein abbildendes optisches Element umfassen, das die optische Achse definiert. Beispielsweise wird ein aus einer Lichtleitfaser der Laservorrichtung 110 austretendes divergentes Laserlichtbündel mittels einer Kollimatoroptik in ein paralleles La- serlichtbündel umgeformt, das von einer Fokussierlinse auf das Werkstück 10 fokussiert wird. Die Interferometereinheit ist eingerichtet, um mittels des optischen Messstrahls, der ein Laserstrahl sein kann, einen Abstand zum Werkstück 10 beispielsweise bezüglich eines durch das Interferometer 140 definierten Referenzpunkts zu messen. Das Interferometer 140 kann ein Kohärenz-Interferometer, und insbesondere ein Kurzkohärenz-Interferometer sein. Die Abstandsmessung mittels eines Interferometers ist bekannt und wird nicht näher erläutert. Insbesondere kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um eine Abstandsänderung zu messen, während die Vorrichtung 100 entlang der Bearbeitungsrichtung 20 und/oder während der Messstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird. Hierdurch kann beispielsweise eine Topographiemessung erfolgen.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist die Interferometereinheit eingerichtet, um einen Abstand zum Bearbeitungsbereich zu messen. Beispielsweise kann eine Topographiemessung im Nachlauf zur Bestimmung der Geometrie des durch die Vorrichtung bearbeiteten Bereichs, wie einer Auf- tragsschweißraupe, durchgeführt werden. Die Topographiemessung kann gemäß Ausführungsformen zur Fehlerdetektion und/oder Regelung einer oder mehrerer Prozesseingangsgrößen verwendet werden. Die Prozesseingangsgrößen können z.B. ein Pulverstrom, ein Drahtvorschub, eine Prozessgeschwindigkeit, eine Laserleistung, ein Arbeitsabstand usw. sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Interferometereinheit eingerichtet sein, um einen Abstand zu einem Bereich des Werkstücks 10 zu messen, der benachbart zum Bearbeitungsbereich liegt. Der Bereich kann eine unbearbeitete Oberfläche des Werkstücks 10 sein. Beispielsweise kann eine Topographiemessung im Vorlauf (z.B. eine z-Lage der Werkstückober- fläche) als Referenzmessung und/oder zur Prozessführung verwendet werden.
Das Sensorsystem der vorliegenden Offenbarung basiert auf der Interferometrie, wie beispielsweise der Kurzkohärenz-Interferometrie. Hierfür wird von dem Interferometer ein Messstrahl Off-Axis statisch oder beweglich bereitgestellt. Alternativ wird der von dem In- terferometer bereitgestellte Messstrahl in den optischen Strahlengang des Bearbeitungslasers eingekoppelt und koaxial oder nahezu koaxial in die Wechselwirkungszone statisch oder beweglich eingeblendet. In manchen Ausführungsformen kann das Interferometer 140 einen vom Strahlengang der Laservorrichtung 110 getrennten Strahlengang für den optischen Messstrahl umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den opti- sehen Messstrahl bezüglich der optischen Achse der Laservorrichtung 110 verkippt bzw. geneigt auf das Werkstück 10 zu richten. Beispielsweise kann das Interferometer 140 einen vom Strahlengang der Laservorrichtung 110 getrennten Off-Axis Strahlengang für den optischen Messstrahl umfassen, wobei ein schräger Einfall des optischen Messstrahls z.B. im Nachlauf erfolgen kann. Es kann eine Messung der Höhe der Auftragsschweißraupe erfolgen, wobei das Interferometer 140 statisch im Nachlauf positioniert sein kann. In weiteren Ausführungsformen kann eine Messung der Topographie erfolgen, beispielsweise mittels einer 1D oder 2D Oszillation im Nachlauf. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl in einen Strahlengang der Laservorrichtung 110 einzukoppeln. Der optische Messstrahl kann im Wesentlichen koaxial zum Laser- strahl 112 sein. In manchen Ausführungsformen ist die wenigstens eine Zuführvorrichtung 130 eingerichtet, um einen Pulverstrahl als Zuführmaterial auszugeben.
Die Abstandmessung kann durch die Interferometereinheit mittels einem statischen oder beweglichen optischen Messstrahls erfolgen, wie beispielsweise mittels eines um den Bearbei- tungslaser bzw. den Laserstrahl 112 rotierenden oder beliebig bezüglich einer optischen Achse der Laservorrichtung abgelenkten Messstrahls. Hierdurch kann eine Messung der Höhe der Auftragsschweißraupe erfolgen, wobei das Interferometer bzw. der optische Messstrahl statisch im Nachlauf positioniert sein kann (uni-direktional z.B. entlang der Bearbeitungsrichtung 20). In weiteren Ausführungsformen kann eine Messung im Vor- und/oder Nachlauf z.B. der Grundwerkstoff- und/oder Auftragshöhe erfolgen (z.B. statisch positioniert; uni-direktional entlang der Bearbeitungsrichtung 20). Alternativ kann eine Messung der Topographie erfolgen (z.B. rotierend mit Scanner; multi-direktional). Optional kann eine Messung der Pulverdichte erfolgen („Störung" des optischen Messsignals durch den Pulverstrom). Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst die Vorrichtung 100 weiter eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die Laservorrichtung 110 und/oder die wenigstens eine Zuführvorrichtung 130 basierend auf dem durch das Interferometer gemessenen Abstand zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerung kann basierend auf einer im Vorlauf und/oder Nachlauf durchgeführten Interfero- metrie erfolgen. Typischerweise kann eine Prozesskontrolle und/oder Prozessführung basierend auf dem durch das Interferometer gemessenen Abstand erfolgen. Beispielsweise können eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Laserleistung, ein Laserfokus, und/oder Betriebsparameter der Zuführvorrichtung, wie ein Pulverstrom oder ein Drahtvorschub, basierend auf der Interfero- metrie gesteuert bzw. eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Interferometrie zur Qualitätskontrolle des durch die Vorrichtung bearbeiteten Bereichs, wie einer Auftragsschweißraupe, durchgeführt werden.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist die wenigstens eine Zuführvorrichtung 130 aus einer Gruppe ausge- wählt, bestehend aus einer Ringstrahlpulverdüse, einer Mehrstrahlpulverdüse, und einer Off- Axis-Pulverdüse. In Figur 1 ist beispielhaft eine Off-Axis-Pulverdüse 132 (auch als„seitliche Pulverdüse" bezeichnet) dargestellt. Die Off-Axis-Pulverdüse 132 ist ein leichtes, einfaches und robustes System, das sich insbesondere durch gute Zugänglichkeit selbst bei schlecht erreichbaren Schweißpositionen auszeichnet.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 200 zur additiven Fertigung mit einem beweglichen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, wie beispielsweise mit einem rotierenden optischen Messstrahl. In manchen Ausführungsformen kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl beweglich oder dynamisch bezüglich des Laserstrahls 112 bereitzustellen. Insbesondere kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl um den Laserstrahl 112 zu rotieren. Der optische Messstrahl kann eine zweidimensionale Kontur, wie beispielsweise eine kreisförmige Kontur, auf dem Werkstück 10 abtasten. Hierdurch kann eine Topographiemessung beispielsweise der Auftragsschweißraupe erfolgen. Die Vorrichtung 200, und insbesondere das Interferometer 140, kann einen Antrieb 210 umfassen, der eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl über das Werkstück zu bewegen oder scannen. Typischerweise umfasst das Interferometer 140 eines oder mehrere optische Elemente, wie Linsen, Spiegel oder Keilplatten, die den optischen Messstrahl ablenken, um ihn auf das Werkstück 10 zu richten. Wenigstens ein optisches Element des einen oder der mehreren optischen Elemente kann beweglich sein, um den optischen Messstrahl über das Werkstück 10 zu bewegen oder scannen. Alternativ kann der Antrieb ein mechanischer Antrieb, z.B. ein Rotationsantrieb, sein, der das Interferometer 140 bewegt, um den optischen Messstrahl über das Werkstück 10 zu bewegen oder scannen.
Figuren 3A und B zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 300 bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl 142 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 300 umfasst eine Ringstrahlpulverdüse 330. Insbesondere kann die Ringstrahlpulverdüse 330 eingerichtet sein, um einen Pulverstrahl als Zuführmaterial auszugeben. Der optische Messstrahl 142 kann bezüglich des Laserstrahls 112 im Wesentlichen koaxial oder geneigt sein. Der Pulverstrahl 134 kann auf einen ersten Punkt oder ersten Bereich außerhalb der Ringstrahlpulverdüse 330 gerichtet sein, der am oder oberhalb des Bearbeitungs- bereichs des Werkstücks sein kann. Der Laserstrahl 112 kann auf einen zweiten Punkt (z.B. einen Fokuspunkt) oder zweiten Bereich außerhalb der Ringstrahlpulverdüse 330 gerichtet sein, der am Bearbeitungsbereich sein kann.
Der erste Punkt und der zweite Punkt können überlappen, oder können voneinander bean- standet sein. Wie im Beispiel der Figur 3B gezeigt ist, kann der erste Punkt oder erste Bereich etwa 20 mm außerhalb (z.B. unterhalb) eines Ausgangs der Ringstrahlpulverdüse 330 und/oder eines Ausgangs der Fokussieroptik 120 angeordnet sein. Der zweite Punkt oder zweite Bereich kann etwa 23.5 mm außerhalb (z.B. unterhalb) des Ausgangs der Ringstrahlpulverdüse 330 und/oder des Ausgangs der Fokussieroptik 120 angeordnet sein. Die Zahlen sind lediglich beispielhaft und sollen die in Figur 3B dargestellte Ausführungsform nicht darauf beschränken. Der erste Punkt und der zweite Punkt können vertikal übereinander angeordnet sein. Der optische Messstrahl 142 kann auf einen Punkt oder Bereich des Werkstücks gerichtet sein, der horizontal versetzt zum ersten Punkt und/oder zweiten Punkt ist.
Figuren 4A und B zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 400 bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem beweglichen, z.B. rotierenden, optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die Vorrichtung 400 umfasst die Ringstrahlpulverdüse 330, wie sie unter Bezugnahme auf die Figuren 3A und B beschrieben ist. Der optische Messstrahl ist dynamisch, d.h. örtlich beweglich. Insbesondere kann der optische Messstrahl um den Laserstrahl 112 und/oder die optische Achse der Fokussieroptik 120 rotieren. Der optische Messstrahl kann eine zweidimensionale Kontur 242, wie beispielsweise eine kreisförmige Kontur, auf dem Werkstück 10 abtasten. Hierdurch kann eine Topographiemessung beispielsweise der Auftragsschweißraupe erfolgen. Der optische Messstrahl 142 kann bezüglich des Laserstrahls 112 im Wesent- liehen koaxial oder geneigt sein.
Figuren 5A und B zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 500 bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl 142 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die Vorrichtung 500 umfasst eine Mehrstrahlpulverdüse 530. Die Mehrstrahlpulverdüse 530 kann wenigstens zwei Pulverdüsen 532 umfassen, die eingerichtet sind, um jeweils einen Pulverstrahl dem Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück zuzuführen. Typischerweise umfasst die Mehrstrahlpulverdüse 530 vier Pulverdüsen 532, die in einem Winkel zueinander ange- ordnet sind.
Wie in Figur 5B gezeigt ist, können die Pulverstrahlen 134 der wenigstens zwei Pulverdüsen 532 auf einen ersten Punkt oder ersten Bereich außerhalb der Mehrstrahlpulverdüse 530 gerichtet sein, der am oder oberhalb des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks sein kann. Der Laserstrahl 112 kann auf einen zweiten Punkt (z.B. einen Fokuspunkt) oder zweiten Bereich außerhalb der Mehrstrahlpulverdüse 530 gerichtet sein, der am Bearbeitungsbereich sein kann. Der optische Messstrahl 142 kann bezüglich des Laserstrahls 112 im Wesentlichen koaxial oder geneigt sein.
Der erste Punkt und der zweite Punkt können überlappen, oder können voneinander beab- standet sein. Wie im Beispiel der Figur 5B gezeigt ist, kann der erste Punkt oder erste Bereich etwa 14 mm außerhalb (z.B. unterhalb) eines Ausgangs der Mehrstrahlpulverdüse 530 und/oder eines Ausgangs der Fokussieroptik 120 angeordnet sein. Der zweite Punkt oder zweite Bereich kann etwa 0.8 mm weiter, also etwa 14.8 mm, außerhalb (z.B. unterhalb) des Ausgangs der Mehrstrahlpulverdüse 530 und/oder des Ausgangs der Fokussieroptik 120 angeord- net sein. Die Zahlen sind lediglich beispielhaft und sollen die in Figur 5B dargestellte Aus- führungsform nicht darauf beschränken. Der erste Punkt und der zweite Punkt können vertikal übereinander angeordnet sein. Der optische Messstrahl 142 kann auf einen Punkt oder Bereich des Werkstücks gerichtet sein, der horizontal versetzt zum ersten Punkt und/oder zweiten Punkt ist.
Figuren 6A und B zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 600 bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem rotierenden optischen Messstrahl gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 600 umfasst die Mehrstrahlpulverdüse 530, wie sie unter Bezugnahme auf die Figuren 5A und B beschrieben ist. Der optische Messstrahl ist dynamisch, d.h. örtlich beweglich. Beispielsweise kann der optische Messstrahl um den Laserstrahl 112 und/oder die optische Achse der Fokussieroptik 120 rotieren oder diesbezüglich abgelenkt eingestrahlt werden. Der optische Messstrahl kann eine zweidimensionale Kontur, wie beispielsweise eine kreisförmige Kontur, auf dem Werkstück 10 abtasten. Hierdurch kann eine Topographiemessung beispielsweise der Auftragsschweißraupe erfolgen. Der optische Messstrahl 142 kann bezüglich des Laserstrahls 112 im Wesentlichen koaxial oder geneigt sein.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 700 zur additiven Fertigung gemäß noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 700 kann für ein Drahtauftragsschweißen eingerichtet sein. Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist die wenigstens eine Zuführvorrichtung 730 eingerichtet, um einen Draht 731 als Zuführmaterial auszugeben. Der Draht 731 kann beispielsweise ein Metalldraht sein.
Der optische Messstrahl 742 kann Off-Axis oder im Wesentlichen koaxial zum Laserstrahl bereitgestellt werden. Mit einem Off-Axis Messstrahl, der in einem separaten Strahlengang bereitgestellt wird (z.B. schräger Einfall im Nachlauf) kann eine Messung der Topographie durchgeführt werden, beispielsweise mit einer 1D oder 2D Oszillation im Nachlauf. Bei der strahlkoaxialen Konfiguration kann eine Messung der Höhe der Auftragsschweißraupe erfolgen, wobei das Interferometer 740 statisch im Nachlauf positioniert sein kann (uni-direktional z.B. entlang der Bearbeitungsrichtung). Zudem kann im Falle einer dynamischen bzw. beweglichen Konfiguration eine Messung der Topographie beispielsweise unter Verwendung von wenigstens zwei drehbar gelagerten Keilplatten 744 erfolgen (multi-direktional). Hierbei wird der optische Messstrahl 742 durch die zwei Keilplatten 744 in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Dadurch ist es beispielsweise möglich, jeweils einen der Teilstrahlen im Vorlauf und im Nachlauf zu bewegen, so dass die Topographie in beiden Bereichen simultan erfasst wird.
Figur 8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens 800 zur additiven Herstellung gemäß Ausfüh- rungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren kann unter Verwendung der hier beschriebenen Vorrichtung zur additiven Fertigung implementiert werden.
Das Verfahren umfasst im Schritt 810 ein Lenken eines Laserstrahls auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks und ein Zuführen eines Zuführmaterials zum Bearbeitungsbereich. Das Verfahren umfasst im Schritt 820 weiter ein Messen eines Abstands zum Werkstück unter Verwendung einer Interferometereinheit, die ein Interferometer umfasst.
In Figuren 9A ist eine lineare Scanfigur 144 des optischen Messstrahls 142 dargestellt. Hierbei wird der optische Messstrahl 142 zwischen einer Position im Vorlauf und einer Position im Nachlauf, d.h. parallel zur Bearbeitungsrichtung, hin- und her bewegt und kann dabei die Geometrie bzw. das Profil der Schweißraupe 12 erfassen. Das Messergebnis dieser linearen Scanbewegung 144 ist in Figur 9B dargestellt: Figur 9B zeigt ein Höhenprofil der Schweißraupe 12 entlang der Bearbeitungsrichtung kurz vor und kurz nach dem Bearbeitungspunkt bzw. dem Laserstrahl 112. Figuren 9C und 9D zeigen alternative Scanbewegungen 144: In Figur 9C wird der optische Messstrahl 142 beispielsweise im Kreis um den Bearbeitungspunkt bzw. den Laserstrahl 112 geführt, sodass (sequentiell) im Vor- und Nachlauf gemessen wird. In Figur 9D werden zwei optische Messstrahlen gemeinsam entlang einer Kreisfigur um den Bearbeitungspunkt bzw. den Laserstrahl 112 geführt, sodass im Vorlauf und im Nachlauf gleichzeitig gemessen werden kann. Außerdem kann eine laterale Topographie der Schweißraupe 12 entlang der Scanfigur erfasst werden. Die Scanfigur bzw. Scanbewegung 144 kann in Bearbeitungsrichtung mitgeführt werden.
In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der bzw. können die optischen Messstrahlen 142 mindestens eine der folgenden Zentralwellenlängen aufweisen: 1550 nm, 1310 nm, 1080 nm, 1030 nm und 830 nm. Das weitere in Figur 10 gezeigte erfindungsgemäße Verfahren 1010 zum additiven Laserauftragschweißen ist ein 3D-Druckverfahren, mit welchem eine Schweißraupe bzw. ein Bauteil 1020 mittels Laserauftragschweißens mit einem Lasers 1030 einer in den Figur 11 und 12 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung bzw. Fertigung sein- richtung 1035 gefertigt wird.
Bei dem Verfahren wird eine beabsichtigte Bauteilhöhe aus einem CAD-Modell des Bauteils 1020 abgeleitet und anhand eines CAM-Modells zur Fertigung des Bauteils 1020 eine Schichthöhe 1040 zum Auftrag einer Schicht mittels Laserauftragschweißens bestimmt. Die Schichthöhe 1040 bildet eine Regelgröße des erfindungsgemäßen Verfahrens 1010.
Diese Regelgröße wird einem Controller 1050 übermittelt, welcher aus der beabsichtigten Schichthöhe 1040 einen Satz von Prozessparametern 1060 zum Laserauftragschweißen bestimmt, welche als Stellgrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens 1010 dienen. Die Prozessparameter 1060 umfassen im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Leistung eines Lichts 1065 des Lasers 1030 und eine Position eines Fokus des Lasers 1030 sowie einen Materialstrom eines pulverförmigen Schweißmaterials 1070 durch eine Düse 1080 eines Prozesskopfs 1090 der erfindungsgemäßen Fertigung seinrichtung 1035. Mit diesem Satz von Prozessparametern 1060 wird das Bauteil 1020 mittels Laserauftragschweißens 1095 geschweißt. Beim Laserauftragschweißen 1095 resultiert eine tatsächliche Höhe 1096 der Schicht, welche über den Abstand der Düse 1080 des Prozesskopfs 1090 von dem Bauteil 1020 ermittelt wird. Diese Ermittlung erfolgt mittels eines optischen Kohärenztomographen 1097, mittels welchem ein Messlicht 2100 einer Lichtquelle 2110 des Kohärenztomographen in den Strahlengang 2115 des der Fertigung des Bauteils 1020 beim Laserauftragschweißen 1095 dienenden Lasers 1030 im Prozesskopf 1090 eingekoppelt wird. Dabei werden das Licht des Lasers 1030 sowie das Messlicht 2100 mittels eines teildurchlässi- gen Spiegels 2117 jeweils in Richtung strahlabwärts des Lichts 1065 des Lasers 1030 zur Düse 1080 zusammengeführt und strahlaufwärts des Lichts 1065 des Lasers 1030 von der Düse 1080 getrennt. Das Licht des Lasers 1030 und das Messlicht 2100 fallen spektral nicht zusammen, sodass das Messlicht 2100 weitgehend ungestört durch Anteile des Lichts des Lasers 1030 ausgewertet werden kann. Beim Laserauftragschweißen auftretende Reflexe des Messlichts 2100 der Lichtquelle 21 lOgelangen zurück in den Strahlengang 2115 im Prozesskopf 1090. Im Prozesskopf 1090 werden die Reflexe ausgekoppelt und interferometrisch mit dem ursprünglich in den Prozesskopf 1090 eingespeisten Messlicht 2100 der Lichtquelle 2110 verglichen. Aus diesem Vergleich wird der Abstand erhalten. Der Kohärenztomograph 1097 sowie der im Prozesskopf 1090 enthaltene optische Strahlengang 2115 einschließlich der im Strahlengang 2115 befindlichen optischen Elemente bilden zusammenwirkend einen Abstandssensor. Dieser Abstandssensor ist an sich bekannt und für andere als den hier erläuterten Schweißprozessen, nämlich für das Laserschweißen, als In-Process-Depth-Meter des Unternehmens Precitec GmbH bekannt und in der Druckschrift DE10 102014 011 569 AI beschrieben.
Die Nutzung dieses Abstandssensors erfordert eine Filterung der erhaltenen Ab Stands signale: Denn im Unterschied zur bereits bekannten Nutzung des oben beschriebenen Abstandssensors bei Laserschweißverfahren erfordert die Nutzung des Abstandssensors für das Laserauftragschweißen eine Berücksichtigung des Einflusses von pulverförmigem Schweißmate- rial 1070, welches aus der Düse 1080 heraus gelangt und auf das Bauteil 1020 abgeschieden wird und welches einen Teil des optischen Signals des Abstandssensors blockiert. Denn dieses Schweißmaterial 1070 absorbiert einen großen Teil des Messlichts 2100 der Lichtquelle 2110 des Kohärenztomographen 1097. Die Filterung der Abstandssignale gewährleistet daher die Robustheit des er-findungsgemäßen Verfahrens.
Zur Filterung werden zunächst entlang eines Zeitfensters, vorliegend 20 Millisekunden, in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen 4 Millisekunden, sämtliche er- fassten Abstandswerte buchgehalten. Nachfolgend wird aus diesen erfassten Abstandswerten ein Filterwert bestimmt, welcher auf zeitlich darauffolgende Zeitfenster derselben Zeitdauer von 20 Millisekunden (oder 4 Millisekunden in weiteren Ausführungsbeispielen) angewandt wird. Bei abgestelltem Laser 1030 tritt lediglich einseitige Streuung auf, sodass hier ein Ma- ximalfilter eingesetzt wird, welcher die größten gemessenen Abstandswerte als Maß für den tatsächlichen Abstand herausfiltert. Ergibt eine Analyse der gemessenen Abstandswerte in einem Zeitfenster, dass zweiseitige Streuung auftritt, so wird derjenige Abstandswert herangezogen, welcher die meisten Messdaten auf sich vereinigt, d.h. die Messdaten werden einer Filterung nach dem größten Häufigkeitswert in der Verteilung der Abstandswerte, also einem (engl.)„Mode Filter" unterzogen. Diese Filterung berücksichtigt den Umstand, dass derjenige Abstandswert mit der höchsten Dichte an Messdaten den Abstand zum Schmelzbad zuverlässig angibt.
Aus dem so erhaltenen Abstand wird die tatsächliche Höhe 1096 der mittels Laserauftrag- Schweißens aufgetragenen Schicht erhalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können zudem weitere physikalische Größen des Laserauftragschweißens erfasst werden: So kann zusätzlich die Temperatur eines beim Laserauftragschweißen entstehenden Schmelzbades 2140 bestimmt werden. Dazu wird das Schmelzbad 2140 z.B. mit einer CCD-Kamera 2150 der Fertigungseinrichtung 1035 beobachtet. Zur Beobachtung des Schmelzbades 2140 wird ein Teil des vom Schmelzbad 2140 durch die Düse 1080 in den optischen Strahlengang 2115 des Bearbeitungskopfes 1090 gelangenden Lichts mit einem teildurchlässigen Spiegel 2145 ausgekoppelt und auf die CCD-Kamera 2150 abgebildet. Die CCD-Kamera 2150 ist an eine Auswerteinrichtung 2155 der Fertigungsein- richtung 1035 angeschlossen. Die Auswerteinrichtung 2155 wertet über einen Algorithmus das mit der CCD-Kamera 2150 erfasste Abbild des Schmelzbades 2140 aus und bestimmt einen mittleren Durchmesser des Schmelzbades 2140. Die Auswerteinrichtung 2155 enthält Kalibrierdaten, mittels welchen aus dem mittleren Durchmesser des Schmelzbades 2140 auf die Temperatur des Schmelzbades 2140 geschlossen wird.
Die CCD-Kamera 2150 und die Auswerteinrichtung 2155 sind einstückig handhabbar im Be- arbeitungskopf 1090, d.h. gemeinsam mit dem Bearbeitungskopf 1090 einteilig handhabbar, untergebracht, sodass der Bearbeitungskopf 1090 mit seinem Gehäuse (in Figur 11, 12 und 13 nicht dargestellt) die CCD-Kamera 2150 und die Auswerteinrichtung 2155 vor den beim Laserauftragschweißen vorherrschenden rauen Prozessbedingungen zuverlässig schützt. Zusätzlich kann ein konstant gehaltener Materialstrom des pul verförmigen Schweißmaterials 1070 durch die Düse 1080 erfasst werden. Der Materialstrom wird konstant gehalten, da er eine lange Verzögerungszeit aufweist, welche den Nutzen einer schnellen Prozess-Rückkopp- lung begrenzt. Ein Pulversensor 2160 in einer Pulverzuführleitung 2165 im Bearbeitungskopf 1090 beobachtet den aktuellen Materialstrom des Schweißmaterials 1070 und erfasst diesen als einen Volumenstrom. Die Erfassung des Volumenstroms ermöglicht eine Anpassung des Fertigungsprozesses aufgrund von Änderungen des Volumenstroms des Schweißmaterials 1070 durch Stellung der Prozessparameter 1060. Der im dargestellten Ausführungsbeispiel eingesetzte Pulversensor 2160 ist ein optischer Flussmesser, welcher den Anteil der vom pul- verförmigen Schweißmaterial 1070 eingenommenen Fläche des Querschnitts eines Ausgangs eines Pulverförderers (nicht in der Zeichnung detailliert) ermittelt. Der Pulverförderer ist im Bearbeitungskopf 1090 zur Speisung der Düse 1080 mit Schweißmaterial 1070 angeordnet, sodass das Schweißmaterial 1070 in an sich bekannter Weise zum Laserauftragschweißen an die Düse 1080 gelangt und auf das Bauteil 1020 aufgetragen werden kann. Eine quadratische Funktion des Volumenflusses ist dabei proportional zum Anteil der vom pulverförmigen Schweißmaterial 1070 eingenommenen Fläche des Querschnitts des Ausgangs des Pulverförderers. Der Volumenfluss des Schweißmaterials 1070 wird dabei vom Controller 1050 berücksichtigt, um beim Laserauftragschweißen 1095 die beabsichtigte Geometrie des Bauteils 1020 zutreffend zu realisieren.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Controller 1050 als PC-System realisiert. Alternativ oder zusätzlich kann der Controller 1050 in weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen, als CNC-Controller ausgeführt sein. Zusätzliche externe Hard- und Software-Steuereinrichtungen sind in diesem weiteren Ausführungsbeispiel verzichtbar. Prozesssensoren sind dabei mittels einer schnellen Bus- Schnittstelle direkt an den CNC-Controller angebunden.
Abhängig von den oben genannten erfassten physikalischen Größen, also der tatsächlichen Höhe 1096 der Schicht, der Temperatur des Schmelzbades 2140 und/oder des Volumenstroms des Schweißmaterials 1070 ermittelt der Controller 1050 einen angepassten Satz von Prozessparametern 1060 zum Laserauf-tragschweißen 1095. Die Prozessparameter werden derart angepasst, dass geometrische Abweichungen des mittels Laserauftragschweißens 1095 gefertigten Bauteils 1020 minimiert werden, sodass allenfalls Abweichungen unterhalb einer festgelegten Toleranzschwelle auftreten. Entsprechend wird das Bauteil 1020 zuverlässig und robust gefertigt. Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das Zuführmaterial ein Pulver oder ein Draht. Das Verfahren kann insbesondere ein Verfahren für Laser Metal Deposition (LMD) sein.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Laser basierte additive Fertigung (Pulver oder Draht basiert) in Kombination mit einer Sensorik basierend auf der Interferometrie (statisch oder dynamisch abgelenkt) zur Prozessüberwachung und/oder Prozessführung basierend auf der Messung geometrischer Abstände und Topgraphien in oder um die Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungslaser und Werkstück bereitgestellt. Der optische Messstrahl kann beispielsweise durch einen Laserauftragsschweißkopf hindurch entweder durch den Pulverstrom (Pulverauftrags schweißen) oder am Draht vorbei statisch eingestrahlt oder präzise und hochdynamisch bewegt werden, so dass sequenziell oder parallel Messaufgaben durchgeführt werden können. Eine Messsaufgabe kann eine Topographiemessung im Vorlauf (z-Lage der Werkstückoberfläche) als Referenzmessung oder zur Pro- zessführung sein. Eine weitere Messaufgabe kann eine Topographiemessung im Nachlauf zur Bestimmung der Geometrie der Auftragsschweißraupe sein, beispielsweise zur Fehlerdetektion. Die Messergebnisse können zur Regelung von Prozesseingangsgrößen (z.B. Laserleistung, Pulverstrom, Drahtvorschub, Prozessgeschwindigkeit) verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (100) zur additiven Fertigung, umfassend:
eine Laservorrichtung (110) zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls (112), wobei die Laservorrichtung (110) eingerichtet ist, um den Laserstrahl (112) auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks (10) zu lenken;
wenigstens eine Zuführvorrichtung (130) für ein Zuführmaterial, die eingerichtet ist, um das Zuführmaterial dem Bearbeitungsbereich zuzuführen; und
eine Interferometereinheit mit einem Interferometer (140), die eingerichtet ist, um mittels mindestens eines optischen Messstrahls (142) einen Abstand zu einer Oberfläche des Werkstücks (10) zu messen.
2. Vorrichtung ( 100) nach Anspruch 1 , wobei die Interferometereinheit dazu eingerichtet ist, anhand der Abstandsmessung mindestens eine physikalische Größe aus der Gruppe zu bestimmen, die eine Größe einer erzeugten Schweißraupe (12), eine Höhe einer erzeugten Schweißraupe (12), eine Position einer erzeugten Schweißraupe (12), eine Lage der Oberfläche des Werkstücks (10) und eine Topographie der Oberfläche des Werkstücks (10) umfasst.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Interferometereinheit eingerichtet ist, um einen Abstand zum Bearbeitungsbereich und/oder einen Abstand zu einem Bereich des Werkstücks (10), der benachbart zum Bearbeitungsbereich liegt, zu messen.
4. Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) ferner Erfassungsmittel zum Erfassen mindestens einer weiteren physikalischen Größe umfasst, wobei die weitere physikalische Größe ausgewählt ist aus Zufuhrstrom des Zuführmaterials, Zufuhrgeschwindigkeit der Zuführvorrichtung, Laserleistung, Fokusdurchmesser des Laserstrahls (112), Abmessung eines Schmelzbads und einer Temperatur des Schmelzbads.
5. Vorrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Fertigungseinrichtung (1035) zum additiven Laserauftragsschweißen (1095) eines Bauteils (1020) ist, umfassend Erfassungsmittel (1097) zum Erfassen zumindest einer physikalischen Größe (1096) des Schweißprozesses sowie Stellmittel zur Stellung mindestens eines Prozessparameters (1060) abhängig von der zumindest einen erfassten physikalischen Größe (1060) und/oder ihrem Verlauf,
welche vorzugsweise einen Bearbeitungskopf (1090) zum Laserauftragschweißen sowie eine Abstandserfassungseinrichtung (10097), welche zur Messung des Abstands des Bearbeitungskopfs (1090) vom Bauteil (1020) ausgebildet ist und/oder welche einen Kohärenztomographen (1097) aufweist oder mit einem solchen optisch verbunden ist, aufweist.
6. Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die Laservorrichtung (110) und/oder die wenigstens eine Zuführvorrichtung (130) basierend auf dem durch die Interferometereinheit gemessenen Abstand und/oder basierend auf der mindestens einen bestimmten physikalischen Größe und/oder basierend auf der mindestens einen erfassten physikalischen Größe zu steuern.
7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Laservorrichtung (110) und/oder die wenigstens eine Zuführvorrichtung (130) durch Regelung zumindest einer Prozesseingangsgröße zu steuern, wobei die Prozesseingangsgröße ausgewählt ist aus Bewegungsrichtung der Vorrichtung bezüglich des Werkstücks (10), Bewegungsgeschwindigkeit bezüglich des Werkstücks (10), Zufuhrgeschwindigkeit der Zuführvorrichtung (130), Zufuhrstrom des Zuführmaterials, Pulverstromgeschwindigkeit, Pulvermenge, Pulverzusammensetzung, Pulverzuführrichtung, Drahtzuführrichtung, Drahtvorschubgeschwindigkeit, Arbeitsabstand, Prozessgaszusammensetzung, Prozessgasdruck, Laserfokusdurchmesser, Lage der optischen Achse, Laserfokuslage, Laserpulsweite und Laserleistung.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuerung eingerichtet ist, zumindest eine Prozesseingangsgröße so zu stellen, dass Abweichungen von einem Modell des Bearbeitungsbereichs oder einer Schweißraupe (12) oder des additiven Fertigungsprozesses unterhalb einer Höchstschwelle gehalten und/oder minimiert werden.
9. Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Interfero- meter (140) ein Kohärenz-Interferometer oder ein Kurzkohärenz-Interferometer ist und/oder wobei das Interferometer (140) eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl (142) in einen Strahlengang der Laservorrichtung (110) einzukoppeln, oder wobei das Interferometer (140) einen vom Strahlengang der Laservorrichtung (110) getrennten Strahlengang für den optischen Messstrahl (142) umfasst.
10. Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Interferometer (140) eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl (142) statisch bezüglich des Laserstrahls (112) bereitzustellen und/oder
wobei das Interferometer (140) eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl (142) beweglich bezüglich des Laserstrahls (112) bereitzustellen und/oder
wobei das Interferometer eingerichtet ist, um dem mindestens einen optischen Messstrahl (142) linear oder auf einer Kreisbahn zwischen einer Position im Vorlauf und einer Position im Nachlauf hin und her zu bewegen.
11. Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Zentralwellenlänge eines Wellenlängenbereichs des optischen Messstrahls (142) bei ungefähr 1550 nm, 1310 nm, 1080 nm, 1030 nm und/oder 830 nm liegt.
12. Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Zuführvorrichtung (130, 730) eingerichtet ist, um ein Pulver oder einen Draht (731) als Zuführmaterial zuzuführen und/oder aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Ringstrahlpulverdüse (330), einer Mehrstrahlpulverdüse (530), und einer Off-Axis-Pulverdüse ausgewählt ist.
13. Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) ein Laserauftragsschweißkopf ist.
14. Verfahren zum additiven Laserauftragschweißen eines Bauteils (1020) mittels eines Lasers (1030), insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem während des Laserauftragschweißens zumindest eine physikalische Größe (1096) des Schweißprozesses erfasst wird und abhängig von der zumindest einen erfassten physikalischen Größe (1096) und/oder ihrem Verlauf mindestens ein Prozessparameter (1060) des Verfahrens gestellt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die physikalische Größe (1096) zumindest eine geometrische Größe (1096) des während des Schweißprozesses gefertigten Bauteils (1020) und/oder eine davon abgeleitete Größe und/oder eine Höhe einer beim Laserauftragschweißen aufgetragenen Schicht und/oder eine davon abgeleitete Größe ist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zum Laserauftragschweißen eine Zufuhreinrichtung (2165), insbesondere ein Pulverförderer, für ein Schweißmaterial herangezogen wird und die zumindest eine physikalische Größe zumindest ein Zufuhrstrom und/oder eine Zufuhrgeschwindigkeit der Zufuhreinrichtung (2165) und/oder eine von einer oder mehreren der vorgenannten Größen abgeleitete Größe ist und/oder bei welchem die zumindest eine physikalische Größe zumindest eine Leistung des Lasers (1030) und/oder eine Abmessung eines Fokus des Lasers (1030) und/oder eine von einer oder mehreren der vorgenannten Größen abgeleitete Größe ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Laserauftragschweißen mit einem Schmelzbad (2140) erfolgt und die zumindest eine physikalische Größe mindestens eine Abmessung des Schmelzbads (2140) und/oder eine davon abgeleitete Größe ist und/oder bei welchem beim Laserauftragschweißen ein Bearbeitungskopf (90) verwendet wird und die mindestens eine Größe ein Abstand des Bearbeitungskopfes (90) vom Bauteil (20) und/oder eine davon abgeleitete Größe ist und/oder bei welchem der zumindest eine Prozessparameter (1060) die Position und/oder der zeitliche Verlauf der Position des Fokus des Lasers (1030) relativ zum Bauteil (1020) und/oder eine davon abgeleitete Größe ist.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der zumindest eine Prozessparameter (1060) derart gestellt wird, dass Abweichungen von einem Modell des Bauteils (1020) und/oder des Laserauftragschweißens (1095) unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und/oder minimiert werden, vorzugsweise mittels eines Regelungsverfahrens.
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