EP4405124A1 - Sensoranordnung für eine vorrichtung zur additiven fertigung, sowie vorrichtung dazu und messverfahren basierend darauf - Google Patents

Sensoranordnung für eine vorrichtung zur additiven fertigung, sowie vorrichtung dazu und messverfahren basierend darauf

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Publication number
EP4405124A1
EP4405124A1 EP22789496.1A EP22789496A EP4405124A1 EP 4405124 A1 EP4405124 A1 EP 4405124A1 EP 22789496 A EP22789496 A EP 22789496A EP 4405124 A1 EP4405124 A1 EP 4405124A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
sensor signal
limit value
signal
oxygen
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
EP22789496.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Bayer
Sjoerd Fruijtier
Julian Erath
Peter Steinberg
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.)
EOS GmbH
Original Assignee
EOS GmbH
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 EOS GmbH filed Critical EOS GmbH
Publication of EP4405124A1 publication Critical patent/EP4405124A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F12/70—Gas flow means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—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
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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 invention relates to a sensor arrangement for a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which building material, preferably comprising a metal powder, is solidified in layers on a building site in a process space by means of irradiating the building material with at least one energy beam, and such a device and a Measuring method with such a sensor arrangement.
  • additive manufacturing processes are becoming increasingly relevant in the manufacture of prototypes and now also in series production.
  • “additive manufacturing processes” are understood to mean those manufacturing processes in which a manufacturing product (hereinafter also referred to as “component”) is usually built up by depositing material (the “construction material”) on the basis of digital 3D design data.
  • the structure is usually, but not necessarily, layered.
  • 3D printing is often used as a synonym for additive manufacturing, the production of models, samples and prototypes with additive manufacturing processes is often referred to as “rapid prototyping", the manufacture of tools as “rapid tooling” and the flexible Production of series components is referred to as “rapid manufacturing”.
  • a key point is the selective hardening of the building material, with this hardening being achieved in many manufacturing processes with the aid of irradiation with radiant energy, e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such. B. electron beams can be done.
  • radiant energy e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such.
  • B. electron beams can be done.
  • processes that work with irradiation are "selective laser sintering" or “selective laser melting”. In this process, thin layers of a mostly powdered construction material are repeatedly applied one on top of the other.
  • the construction material is selectively hardened in a "welding process" by spatially limited irradiation of the areas that are to belong to the component to be manufactured after production, in which the powder grains of the construction material are partially or partially melted with the help of the energy introduced locally at this point by the radiation be completely melted. After cooling, these powder grains are then solidified together to form a solid.
  • the energy beam is usually guided along hardening tracks over the construction area and the remelting or hardening of the material in the respective layer takes place accordingly in the form of "weld tracks” or “weld beads", so that ultimately there are a large number of such layers formed from weld tracks in the component . In this way, components with very high quality and breaking strength can now be produced.
  • the oxygen content in the process chamber has an impact on the quality of the components.
  • the porosity of metallic components there is a correlation between the porosity of metallic components and the concentration of oxygen in the process chamber. For this reason, for components of the highest quality and strength, the oxygen concentration should be measured in the process chamber during the construction process and should not exceed 1000 ppm, for example.
  • the oxygen concentration (from molecular oxygen) in the process space is measured with an oxygen sensor.
  • an oxygen sensor There are different functional principles. In particular, amperometric sensors and potentiometric sensors should be mentioned here. With potentiometric sensors, a voltage or resistance reflects the oxygen concentration. In amperometric sensors, oxygen molecules are ionized at a cathode and recombine at an anode, producing a current that is proportional to the oxygen concentration. Under certain circumstances, however, the measurement of oxygen can be incorrect, which is mainly due to the cross-sensitivity of the sensor to hydrogen and water molecules. At low oxygen concentrations, these substances can produce erroneous signals in the sensor.
  • These erroneous signals are basically due to water and hydrogen molecules, which can potentially falsify the signal through various mechanisms or chemical reactions.
  • Molecular hydrogen can react with molecular oxygen in the sensor environment, generating water. This reaction can be caused by the increased operating temperature of the sensor.
  • the chemical reaction between hydrogen and oxygen leads to a reduction in oxygen in the sensor environment. As a result, a low oxygen concentration is measured, but this no longer corresponds to the real oxygen content in the process chamber.
  • water and hydrogen generate false signals at low oxygen concentrations, as mentioned above.
  • the reduction in the oxygen content in the sensor environment therefore leads to erroneous signals.
  • these erroneous signals are basically due to water and hydrogen, but they consist of several contributions and the observed signal instabilities cannot be explained conclusively.
  • both hydrogen and water can be adsorbed by the electrodes of the sensor and split there into hydrogen anions and cations and hydroxide ions and hydrogen anions.
  • the adsorbed state of molecular hydrogen and the corresponding splitting into hydrogen anions and cations can positively or negatively influence the electrical resistance (and accordingly the electrical signal generated from it) of the electrodes.
  • the same effect can also result from the absorption of atomic hydrogen, which can arise in the process chamber from the splitting of water, as explained above.
  • Signal instabilities can thus be explained by the adsorption of (atomic or molecular) hydrogen on the electrode surface.
  • hydroxide ions can also be oxidized and hydrogen cations reduced at an electrode similar to oxygen ions, again resulting in an atmosphere enriched in molecular hydrogen and molecular oxygen.
  • water is regenerated from an atmosphere enriched with molecular hydrogen and oxygen.
  • the observed signal instabilities can also be explained by a chemical weight between water, hydrogen and oxygen, which under the temperature conditions in the sensor environment and the catalytic effect of the sensor electrodes in the sensor environment.
  • sensors that are based on the amperometric principle have an inherently unstable signal behavior due to the cross-sensitivity when the oxygen concentration falls to low values that are below a certain measurement threshold of the sensor (e.g. approx. ⁇ 400ppm), e.g. due to a humidity or Hydrogen enrichment at the sensor.
  • a certain measurement threshold of the sensor e.g. approx. ⁇ 400ppm
  • 400 ppm is not the desired oxygen concentration in the process space (which is e.g. about 0.1%), but the limit below which the measurement signal at the sensor typically becomes unstable.
  • the oxygen concentration is very low (e.g. ⁇ 400ppm)
  • water and hydrogen/oxygen can be generated alternately and this can lead to strongly fluctuating signal characteristics.
  • a sensor arrangement according to the invention is used in a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process (“manufacturing device”), in which building material, preferably comprising a metal powder, is solidified on a building site in a process space by means of irradiating the building material with at least one energy beam.
  • the sensor assembly includes the following components:
  • a sensor module designed to detect oxygen molecules in a gas sample entering the sensor module and to generate an electrical sensor signal based on the amount of oxygen molecules
  • a control module designed to determine based on a comparison of the sensor signal or a value derived from the sensor signal with a predetermined limit value, whether the sensor module measures outside a predetermined range of action and if this is the case, to generate a control signal, which is designed to do so , one to initiate a predetermined countermeasure intended to change the conditions in the device in such a way that the sensor module measures again in the range of action.
  • a suitable sensor module is known in the prior art.
  • the invention can be used particularly advantageously for sensors that measure amperometrically or potentiometrically, but is also advantageous for other sensors.
  • the sensor modules can be equipped with a reference sensor and/or a reference component capable of carrying out a reference measurement.
  • a reference chamber or the reference volume is integrated in the sensor, with the reference volume being in direct contact with an electrode.
  • the term “reference sensor” also means the "reference component" of a sensor.
  • the reference sensor and/or the reference component comprises an electrochemical reference cell, e.g. a solid cell (e.g. solid cells made of palladium, rhodium, rubidium and the corresponding oxides are used for the measurement) and in the case of sensors measuring potentiometrically, a reference gas volume.
  • a sensor generates its sensor signal depending on the oxygen molecules present in the measuring area.
  • the sensor signal is therefore initially dependent on the quantity of oxygen molecules.
  • the measurement parameters are usually known (e.g. the volume of the gas sample and its pressure)
  • the oxygen concentration can usually be directly inferred from the sensor signal, or the sensor signal is a direct measure of the oxygen concentration.
  • the sensor signal is preferably proportional to the oxygen concentration.
  • the sensor signal can be an analog signal, in particular a voltage or a current, or a digital signal, e.g. a digital numerical value.
  • ADC analog-to-digital converter
  • oxygen comes into the process space primarily from leaks in the process space itself.
  • water which escapes from the powder
  • the energy beam e.g. laser radiation
  • hydrogen and oxygen atoms which recombine to generate molecular oxygen and molecular hydrogen.
  • Hydrogen and oxygen can diffuse in the chamber up to the sensor, bearing in mind that oxygen is more easily picked up by metal condensates. It can therefore be assumed that the ratio of oxygen and hydrogen in the chamber or on the sensor is not 1:2.
  • the oxygen present in the gas sample in the sensor comes mainly from the leaks in the process chamber and has no chemical relationship to the hydrogen, which mainly arises from the splitting of water or escapes directly from the metal powder.
  • water can also be formed from the reaction between oxygen and hydrogen at the sensor.
  • This reaction is caused by the high temperature at the sensor (the operating temperature should be between 300-700°C to allow the diffusion of the oxygen ions through the ZrC>2 plate).
  • This reaction leads to a reduction in the measured current at the sensor, because oxygen is consumed by this reaction and consequently no longer reaches the cathode.
  • hydrogen can be split into hydrogen ions at the sensor and lead to a current between the electrodes. If the oxygen concentration is significantly greater than the hydrogen concentration, the sensor can reliably measure oxygen. In the opposite case (excess H2), the hydrogen causes instability on the sensor. Hydrogen can be adsorbed by platinum in two different states. In one of these states, the absorption of hydrogen causes an increase in the electrical resistance of platinum, in the other a decrease in electrical resistance. In what condition is the adsorbed hydrogen is primarily dependent on temperature. Due to the high operating temperature of the sensor, hydrogen can switch from one state to another and cause signal instability.
  • water (H2O) can be split into hydrogen anions (H + ) and hydroxide ions (OH-) in the sensor. If at least a minimal concentration of water is present at the sensor (from the material of construction or from the reaction between hydrogen and oxygen), the water will be adsorbed by platinum. The resulting ions behave in the same way as oxygen at the sensor: hydrogen anions (H + ) are reduced at the cathode and hydrogen diffuses into the chamber, while hydroxide ions (OH-) are oxidized at the anode in a similar way to oxygen ions. Due to the oxidation of hydroxide ions, a current is measured on the amperometer as if oxygen were present in the chamber. This course of reaction is equivalent to the electrolysis of water.
  • the concentration of oxygen is overestimated.
  • water is consumed, moreover, hydrogen is generated in the chamber, which again leads to an unstable signal due to hydrogen absorption on platinum, or again to consumption of oxygen (due to the reaction between oxygen and hydrogen) and therefore to a reduction in signal at the sensor or an underestimation of the oxygen concentration.
  • the hydroxide ions can also lead to a current between the electrodes, which is also normally well below the oxygen signal but can also become dominant at low oxygen concentrations and high water concentrations.
  • the sensor module has a measuring range in which it can carry out the measurements.
  • This measuring range can be divided into two areas.
  • a stable range in which the "action range” lies
  • an unstable range in which the aforementioned mechanisms falsify the sensor signal.
  • the selection of the action area is in the hands of a user (but it is always outside the unstable area in the stable area).
  • the sensor signal usually rises again after a certain reversal point (it would be exactly the opposite with an inverted sensor signal). This turning point can be viewed as a possible boundary between the action area and an undesired area (the rest of the measurement area).
  • the action area can basically be chosen freely (as long as it is outside the unstable area) and thus also the unwanted area. Beyond the reversal point, the sensor signal is no longer monotonically related to the oxygen concentration, but is dominated by other effects (which is the reason for the increase).
  • the action area is basically the area with a higher oxygen concentration and is always in the stable area of the sensor.
  • a user is not limited to the reversal point, but can also determine that the action area is already exited from a certain oxygen concentration higher than at the aforementioned reversal point (which is preferred). Then the scope of action only extends to this point specified by the user. It may also be that the range of action is fixed in advance, e.g. to a fraction of the minimum desired oxygen concentration during manufacture. e.g. 90% of the minimum concentration.
  • the sensor signal can be uniquely assigned to an oxygen concentration.
  • the clear correlation between the oxygen concentration and the sensor signal can also be a basis for predetermining the action range (the action range is the area of higher oxygen concentration in which the sensor signal is in a specific relationship with the oxygen concentration; the sensor signal is preferably proportional to the oxygen concentration).
  • the boundary between the action area and the undesired area is characterized by a limit value for the sensor signal. It should be noted that after a drop in the action range (with a drop in oxygen concentration) the sensor signal will again assume values in the undesired range that simulate a higher oxygen concentration.
  • the limit value characterizes the border between the action area and the undesired area by specifying a value that the sensor module would display at this border or the value of a variable that can be derived from the sensor signal, eg for the increase in the sensor signal over time.
  • the limit value is the minimum of the sensor signal.
  • the limit is set by a user (but should be above this minimum) and represents the limit of the scope of action. As you can see here, the action range can also be predetermined by setting the limit value.
  • the action range represents an area with a specific oxygen concentration in which the sensor module still delivers clear measured values and the limit value corresponds to a sensor signal (or a variable that can be derived from the sensor signal) at the limit of the action range.
  • the control module now compares the sensor signal with the limit value. Alternatively or additionally, the control module compares a variable derived from the sensor signal, e.g. its slope, with the limit value. This comparison is used to determine if the sensor module is measuring outside of the action range. For example, a sensor signal that falls as the oxygen concentration falls is outside the range of action if it is below the limit value. If it is inverted and increases with decreasing oxygen concentration, then it is outside the range of action, e.g. if it is above the limit value. In general, one can say that one is in the undesired range when the sensor signal is beyond the limit value.
  • a variable derived from the sensor signal e.g. its slope
  • the control module generates a control signal which is designed to initiate a predetermined countermeasure which in turn is designed to change the conditions in the device so that the sensor module measures again in the range of action.
  • the devices for initiating countermeasures are not necessarily part of the sensor arrangement. In its simplest form, the sensor arrangement only recognizes whether measurements are taken in the undesired range (i.e. outside the action range). However, there may also be components for initiating countermeasures, for example voltage regulation or temperature regulation for the sensor module, which then change the voltage or temperature of the sensor module accordingly using the control signal.
  • the control signal can be a voltage (or also a logical zero), which is then correspondingly registered by a production device.
  • the control signal is always at a logical "HIGH” level when measuring in the action range and drops to a logical "LOW” when leaving the action range.
  • the "LOW” tells the production device that countermeasures must be taken.
  • the control signal can also be used in reverse (from "LOW to "HIGH") or contain more information, e.g. how deep you are in the unwanted area or how strong the countermeasure should be.
  • the selection of the limit value allows a predictive initiation of countermeasures.
  • the phenomenon that has occasionally occurred during production processes is that the sensor signal is Strengthening of the inert gas flow results in fluctuations that sometimes increase.
  • the system sensor module inert gas pump leads to a build-up of the sensor signal. This often happens when triggering the inert gas pump on an increase in the sensor signal.
  • a signal increase occurs when the oxygen concentration increases, but also when the sensor module begins to measure in the unstable range. If the flow of inert gas is increased in the latter case, the effect can occur that the oxygen concentration is further reduced.
  • the sensor signal falls quickly as a result of the blowing, it rises again just as quickly after the inert gas flow is switched off (because the sensor module now measures even "deeper” in the unstable range). After a short time, this again leads to the inert gas flow being switched on again, since the limit is quickly exceeded again and a disadvantageous cycle begins, in which the sensor signal fluctuates greatly. It should be noted that an increase in the sensor signal above the limit mentioned here implies that measurements have already been taken in the unstable range for some time (the minimum of the sensor signal has already been left behind) and the action range has therefore long since left.
  • the last two points relate to the unstable area, the last point relates to a shift in the boundary between the unstable area and the action area.
  • countermeasures can be initiated predictively with a suitable selection of the limit value. If the undesired range is larger than the unstable range (limit value always away from the minimum of the sensor signal at higher oxygen concentrations), countermeasures can be initiated by the control module before the unstable range is reached. An example would be the initiation of countermeasures when the sensor signal falls below the limit value (for a sensor signal that follows the oxygen concentration). With an inverted sensor signal, this would be an overshoot.
  • a device according to the invention (“manufacturing device”) is used for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which building material, preferably comprising a metal powder, is solidified on a building site in a process room by means of irradiating the building material with at least one energy beam.
  • the device includes the following components:
  • an irradiation device in order to selectively solidify building material between the application of two layers of material by irradiation with at least one energy beam
  • the feeding device eg an arrangement for applying a metal powder in layers
  • the irradiation device eg a laser
  • the special feature lies in the sensor arrangement according to the invention, which allows better measurement of the oxygen concentration.
  • the production device can also have further components such as are usually present for production.
  • the device according to the invention can also have a number of irradiation devices which can be controlled in a correspondingly coordinated manner using control data.
  • the energy beam can be either particle radiation or electromagnetic radiation, such as light or preferably laser radiation.
  • a measuring method according to the invention with a sensor arrangement according to the invention in a device according to the invention comprises the following steps:
  • the measuring method (as well as the sensor arrangement) can work in several stages. To this end, a number of action areas with a number of limit values are defined and, when one of these limit values is passed, a countermeasure assigned to the respective limit value is initiated.
  • a gas stream can be generated, e.g. by a circulating pump or a pump for blowing in a protective or inert gas. It does not necessarily have to be blown directly onto the sensor module. It is sufficient if gas moves past the sensor, which can be caused by circulation in the process room or by means of an air flow through a line in which the sensor module is located.
  • control module is designed to determine
  • variable derived from the sensor signal preferably the first time derivative
  • the comparison is preferably additionally based on a number of further measured values, in particular with a number of measured values from the group of measured humidity, a further sensor signal, measured temperature and measured pressure. If, for example, the humidity is known, the reversal point or a dynamic limit value can be calculated. By comparing it with the original sensor signal, another sensor signal can give an indication of whether you are still in the action area, or how how far away you are from the limit. Temperature or pressure can also be helpful. It should be noted here that only the sensor signal is present and its values in the unstable area are very similar to values in the action area.
  • the sensor signal is smoothed mathematically or by a smoothing unit.
  • This has the advantage that smaller fluctuations do not yet have any impact on the initiation of countermeasures. In analog circuit technology, this is also referred to as "debouncing".
  • circuits for smoothing can also be used, e.g. integration of a capacitor current or conversion of the signal into a digital number within a time window.
  • a sliding time window is preferably used for this purpose, in which the value for the oldest sensor signal is deleted when a new sensor signal is added.
  • the control module preferably includes a timer for smoothing, and the comparison of the sensor signal or a variable derived from the sensor signal with the specified limit value is based on one or more of the options listed below:
  • the sensor signal is integrated over a specified integration time and compared integrally with the limit value.
  • a statistical mean value is formed over several sensor signals within a specified measuring time.
  • the times are preferably longer than 0.1 s, in particular longer than 1 s. However, the times are preferably shorter than 60 s, in particular shorter than 30 s.
  • a preferred sensor arrangement includes a selective filter element which can be used as a countermeasure to filter the gas sample.
  • the filter element is designed for filtering a gas sample, so that at least hydrogen molecules and/or water molecules and/or hydroxide ions and/or hydrogen ions are filtered out of the gas sample, with the filter element preferably using an adsorber material Molecular lattice or is formed by an electrode of the sensor module, in particular the electrode material of the electrode is selected so that the conversion of gaseous water to hydrogen ions and hydroxide ions and / or the conversion of water to hydrogen and oxygen and / or the generation of water from hydrogen and oxygen and/or gaseous water adsorption is inhibited (or even avoided altogether).
  • the sensor module has (at least) one anode and (at least) one cathode and is in particular a sensor that measures amperometrically or potentiometrically. It is preferred that the sensor arrangement between anode and cathode includes a solid electrolyte, in particular zirconium dioxide (ZrÜ2).
  • a preferred sensor arrangement includes a control device which is designed to control the operating voltage and/or the operating temperature of the sensor module.
  • voltage or temperature are kept in a predetermined range in which ionization, accumulation or storage of gaseous water and/or hydrogen is inhibited or even (completely) avoided.
  • a voltage is preferably lowered below a predetermined limit value. It is preferred that the operating voltage of the sensor is reduced by ⁇ 0.8/0.9V down to ⁇ 0.3/0.4V. It is generally preferred to operate the sensor at a temperature between 300-700°C.
  • a preferred sensor arrangement includes a reference sensor module (whereby this term can also mean a sensor with a reference component), which is preferably operated with a different voltage than the sensor module, in particular a lower voltage.
  • the reference sensor module includes a reference gas as a gas sample in a reference chamber (preferably in the case of a potentiometrically measuring sensor module).
  • the reference sensor module includes a reference measuring cell, preferably a solid cell, e.g. made of palladium or palladium oxide. This embodiment preferably relates to an amperometrically measuring sensor module.
  • a preferred device comprises components that can be used to initiate countermeasures, the control module of the sensor arrangement being connected to the device in terms of signals, in particular data technology, such that these countermeasures can be initiated with components of the device using the control signal from the control module.
  • a preferred component for initiating a countermeasure is a gas flow device (eg a valve control or a gas pump) designed to generate a gas flow in the process space. This means an element with which a gas can be pressurized or gas can be moved.
  • the device is preferably designed in such a way that a gas sample is moved to the sensor arrangement by means of the gas pump, preferably with the gas pump being designed to circulate the gas volume in a process space of the device, to discharge a gas volume from the process space or a gas, in particular an inert gas to enter the process room.
  • the gas flow device can also preferably comprise an inlet valve and an outlet valve, with the control signal being designed in such a way that the inlet valve and the outlet valve are opened.
  • the device preferably comprises a gas channel and the sensor module of the sensor arrangement is arranged in this gas channel in such a way that gas flowing through the gas channel serves as a gas sample for a measurement. Gas is preferably discharged from the process space through the gas channel in which the sensor module of the sensor arrangement is discharged. An outlet valve is optionally arranged between this gas channel and the process chamber.
  • the limit value and the predetermined range of action are determined (automatically) and a check is made as to whether the sensor module is measuring within the range of action. This can be done, for example, by measuring the humidity or by running a test with a previously known changed oxygen concentration.
  • a measurement curve is generated from a plurality of sensor signals at different times and a local maximum or minimum of the measurement curve is determined and this is taken as a measure of whether the sensor signal is beyond the limit value.
  • a maximum or minimum value for a standard deviation of the sensor signal is specified as the limit value.
  • it is checked which production process was selected, and the limit value and thus the range of action are determined as a function of this production process, in particular based on a total exposure time per layer and/or a quantity of the construction material used.
  • a countermeasure can also be automatically selected from a predetermined set of countermeasures depending on the manufacturing process.
  • the oxygen partial pressure in the sensor module is reduced to a predetermined minimum concentration for a reference measurement.
  • This is preferably done by pumping with a voltage or by an oxygen adsorber or by purging the sample gas in a targeted manner.
  • Pumping with a voltage can be done by applying a voltage to the (platinum) electrodes of the sensor module, which can be higher than the operating voltage for measuring the oxygen concentration, for example, whereby these act as an oxygen pump (through the ionization and movement in the electric field). Oxygen from the atmosphere to be measured is conducted through the electrolyte.
  • the voltage applied to the electrodes can be inverted compared to the operating voltage, so that the oxygen content in the reference sensor module is reduced.
  • a reference measurement is carried out using the sensor module with different presettings than when the sensor signal was generated. This is preferably done at a different operating voltage, with the other presettings being selected such that a signal based on hydrogen and/or gaseous water is suppressed and based on a reference signal obtained from this reference measurement and the sensor signal, a ratio of oxygen to hydrogen and/or gaseous water is determined. It is preferred that the sensor signal is corrected based on the determined ratio.
  • a specific countermeasure or several countermeasures are selected. Depending on the sensor signal or a change in the sensor signal, different countermeasures can also be selected for different changes.
  • the following is a list of countermeasures from which one or more countermeasures can be selected as simultaneously applied or alternative (or sole) countermeasures: - Increasing the performance of a pump of the device, in particular a pump for admitting a protective gas or inert gas. This countermeasure has already been described above and serves to homogenize the atmosphere inside the process space.
  • a different oxygen sensor is used as soon as the action area is left.
  • a second sensor which is arranged in particular at a different point, for measuring a further sensor signal, the comparison preferably also being based on the further sensor signal, in particular on a signal ratio of the sensor signal and the further sensor signal.
  • the first is an oxygen sensor that is simply coupled in when the first sensor module is no longer reliably measuring.
  • the other is a humidity sensor that can be used for a predictive algorithm.
  • Changing the detection mode of the sensor in particular by applying a different voltage or different temperature, in particular for a reference measurement.
  • a reference measurement with the sensor module at a changed temperature and/or voltage and comparison of the behavior of a reference curve obtained in this way with a measurement curve from sensor signals can also represent a countermeasure, since this could be used to identify outside the action area which countermeasures would lead to a return to the lead action area. If you have an estimate of the extent to which the sensor signal deviates from the real oxygen concentration, further countermeasures can be taken in a targeted manner.
  • work is carried out in several stages.
  • several action areas with several (different) limit values are defined and when one of these limit values is passed, a countermeasure assigned to the respective limit value is initiated. For example, when a first limit value is passed, an air flow can be increased and when a second limit value is passed, a filter unit can be moved in front of the filter module, and when a third limit value is passed, oxygen can be blown into the process chamber.
  • One advantage of the invention is that countermeasures can be used to counteract the sensor module reaching an unstable range. In this unstable range, it is no longer possible to establish a reliable measurement condition. In addition, it is also difficult to return to the range of action of the sensor module since one can no longer rely on the sensor signals and would essentially have to "fly blind” to return to the range of action.
  • FIG. 1 shows a schematic view, shown partially in section, of an exemplary embodiment of a device for additive manufacturing with a sensor arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows a sensor module according to the prior art
  • FIG. 3 shows an example of a possible course of a sensor signal when the oxygen concentration drops
  • Figure 4 an unstable measurement behavior
  • FIG. 5 shows an example of a sensor arrangement according to the invention with filtering as a countermeasure
  • FIG. 6 shows a block diagram of a possible method sequence of a preferred measuring method.
  • laser sintering device 1 for the additive manufacturing of components in the form of a laser sintering or laser melting device 1, it being explicitly pointed out once again that the invention is not limited to laser sintering or laser melting devices.
  • the device is therefore briefly referred to as “laser sintering device” 1 in the following—without any loss of generality.
  • Such a laser sintering device 1 is shown schematically in FIG.
  • the device has a process chamber 3 or a process space 3 with a chamber wall 4 in which the manufacturing process essentially takes place.
  • the process chamber 3 there is an upwardly open container 5 with a container wall 6.
  • the upper opening of the container 5 forms the current working level 7.
  • the area of this working level 7 lying within the opening of the container 5 can be used to build the object 2 and is therefore referred to as construction site 8.
  • the container 5 has a base plate 11 movable in a vertical direction, which is arranged on a support 10 .
  • This base plate 11 closes off the container 5 at the bottom and thus forms its bottom.
  • the base plate 11 may be formed integrally with the carrier 10, but it may also be a plate formed separately from the carrier 10 and fixed to the carrier 10 or simply supported thereon.
  • a construction platform 12 can be attached to the base plate 11 as a construction base, on which the object 2 is constructed. In principle, however, the object 2 can also be built on the base plate 11 itself, which then forms the building base.
  • FIG. 1 shows the object 2 set up in the container on the construction platform 12 below the working plane 7 in an intermediate state. It already has several solidified layers, surrounded by building material 13 that has remained unsolidified.
  • Various materials can be used as building material 13, preferably powder, in particular metal powder, plastic powder, ceramic powder, sand, filled or mixed powder or pasty materials. The invention has a particularly advantageous effect on metallic structural materials 13 .
  • Fresh construction material 15 is located in a storage container 14 of the laser sintering device 1.
  • the construction material can be applied in the form of a thin layer in the working plane 7 or within the construction field 8 with the aid of a coater 16 that can be moved in a horizontal direction (double arrow).
  • an additional radiant heater 17 in the process chamber 3. can serve to heat the applied build-up material 13, so that the irradiation device used for the selective solidification does not have to introduce too much energy.
  • An infrared radiator, for example, can be used as the radiant heater 17 .
  • the laser sintering device 1 has an irradiation device 20 or specifically an exposure device 20 with a laser 21 .
  • This laser 21 generates a laser beam EL, which is first fed to a beam-shaping device 30 (as an input energy beam EL or input laser beam EL).
  • the beam shaping device 30 can be used to modify the intensity distribution, ie the intensity profile, of the energy beam, for example also to superimpose a Gaussian profile on a top-hat profile.
  • the beam shaping device 30 can be controlled with suitable intensity distribution control data VSD.
  • a preferred beam shaping device 30 can be used for this purpose, e.g. B.
  • a beam splitter in the form of a thin-film polarizer on the input side, which splits the input laser beam EL into two linearly polarized partial beams.
  • Each of these linearly polarized partial beams can be directed to its own beam-shaping element.
  • the (output) energy beam or laser beam AL is then deflected via a subsequent deflection device 23 (scanner 23) in order to follow the solidification paths (i.e. exposure paths or tracks) provided according to the exposure strategy in the respective layer to be selectively solidified and selectively bring in the energy.
  • a subsequent deflection device 23 scanner 23
  • the impact surface 22 of the energy beam AL is moved on the construction area 8 by means of the scanner 23, with the current movement vector or the movement direction (scanning direction) of the impact surface 22 on the construction area 8 being able to change frequently and quickly.
  • this laser beam AL is suitably focused by a focusing device 24 onto the working plane 7 .
  • the irradiation device 20 is preferably located outside of the process space 3 here, and the laser beam AL is guided into the process space 3 via an in-coupling window 25 mounted in the chamber wall 4 on the upper side of the process space 3 .
  • the irradiation device 20 can, for example, comprise not only one but several lasers. Preferably, this can be gas or solid-state lasers or any other type of laser such.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • VECSEL Very External Cavity Surface Emitting Laser
  • One or more unpolarized single-mode lasers e.g. B. a 3 kW fiber laser with a wavelength of 1070 nm can be used.
  • an optional, preferably movable and/or adjustable nozzle D is arranged in the process chamber 3 and is used for this purpose can be supplied locally to a gas or a gas mixture in the area of the impingement surface of the laser beam AL on the construction site 8 in order to thereby influence the target welding depth.
  • the laser sintering device 1 also contains a detector arrangement 18 which is suitable for detecting process radiation emitted during the impingement of the laser beam AL on the building material in the working plane.
  • This detector arrangement 18 works in a spatially resolved manner, i. H. it is able to capture a kind of emission image of the respective layer.
  • an image sensor or a camera 18 is used as the detector arrangement 18, which is sufficiently sensitive in the area of the emitted radiation.
  • one or more sensors could also be used to detect optical and/or thermal process radiation, e.g. photodiodes, which detect the electromagnetic radiation emitted by a melt pool under the impact of the laser beam AL, or temperature sensors for detecting emitted thermal radiation (so-called melt pool monitoring).
  • the detector arrangement 18 is arranged within the process chamber 3 in FIG. However, it could also be located outside of the process chamber 3 and then capture the process radiation through a further window in the process chamber 3 .
  • the signals detected by the detector arrangement 18 can be transferred here as a process space sensor data set or slice image SB to a control device 50 of the laser sintering device 1, which is also used to control the various components of the laser sintering device 1 for the overall control of the additive manufacturing process.
  • the control device 50 includes a control unit 51, which controls the components of the irradiation device 20 via a radiation control interface 53, namely here to the laser 21 transmits laser control data LS, to the beam shaping device 30 intensity distribution control data VSD, to the deflection device 23 scan control data SD and to the focusing device 24 focus control data FS sent. All of this data can be referred to as exposure control data BSD.
  • the control unit 51 also controls the radiant heater 17 by means of suitable heating control data HS, the coater 16 by means of coating control data ST and the movement of the carrier 10 by means of carrier control data TSD and thus controls the layer thickness. Furthermore, it also controls the nozzle D with the aid of nozzle control data DS.
  • control device 50 here has a quality data determination device 52, which receives the process space sensor data record SB and determines quality data QD based thereon, which can be transferred to the control unit 51, for example, in order to be able to intervene in the additive manufacturing process in a regulating manner.
  • the control device 50 is here z. B. via a bus 60 or other data connection coupled to a terminal 61 with a display or the like. An operator can use this terminal to control the control device 50 and thus the entire laser sintering device 1, e.g. B. by transmission of process control data PSD.
  • the device 1 comprises a sensor arrangement 9 according to the invention.
  • the sensor arrangement 9 also includes a control module 95, which is designed to determine, based on a comparison of the sensor signal S or a variable derived from the sensor signal S with a predetermined limit value G, whether the sensor module 90 is outside a predetermined action range AB (see Figure 3) measures and if this is the case, to generate a control signal SL designed to initiate a predetermined countermeasure, which in turn is designed to change the conditions in the device 1 so that the sensor module 90 returns to the range of action AB measures (see the description of the measuring method according to the invention according to FIG. 6).
  • the sensor arrangement 9 also includes a control device 94, which is designed to control the operating voltage and/or operating temperature of the sensor module 90 as a countermeasure, so that ionization, accumulation or storage of gaseous water and/or hydrogen there is reduced.
  • the control device 94 is in signal connection with the control module 95, so that it can receive a control signal SL from it and can initiate the countermeasures with this control signal SL.
  • FIG. 2 shows an example of a sensor module 90 according to the prior art as it can be used in a sensor arrangement 9 according to the invention according to FIG.
  • the sensor module 90 includes a gas-permeable sensor housing 90 on the outside (which also represents the sensor module 90 here with the components it contains), which is covered by a cover 93 .
  • the sensor arrangement 9 can be attached to the chamber wall 4 of the process chamber 3 on this cover 93 .
  • Lines L of the sensor module 90 can be routed to the outside through a hole in the chamber wall 3 .
  • the cover 93 it is also possible for the cover 93 to be somewhat longer and to be provided with a thread, so that the sensor module 90 can be inserted through a hole in the chamber wall 4 from the outside and screwed in there.
  • the functional components of the sensor module 90 are arranged inside the sensor housing 90 . These are the anode A and the cathode K, which are separated by a solid electrolyte E, e.g. zirconium dioxide, and the heater H for heating the inner chamber 91 in which the cathode K is arranged. This functional structure is held by two fixing elements 92, e.g. glass wool. The voltages or currents at the electrodes A, K are conducted to the outside by means of the lines L, where they can be further processed.
  • the heater H also has two lines for energy supply, which however are not drawn for the sake of clarity.
  • FIG. 3 shows an example of a possible profile of a sensor signal S when the oxygen concentration drops.
  • the oxygen concentration O during the measurement time t is shown on the left. She's constantly falling.
  • the sensor signal S within the measuring time t at this oxygen concentration O is shown on the right.
  • the sensor signal in the action area AB decreases strictly monotonically with the decreasing oxygen concentration O, so that an exact assignment of sensor signal S and oxygen concentration O is possible.
  • the oxygen concentration O falls below a certain limit (the point in time is indicated by a broken line)
  • the sensor enters an unstable range in which the sensor signal S no longer represents a measure of the oxygen concentration O (the signal rises again here).
  • the minimum of the curve can be set as the limit value G. In practice, however, it is preferable to set the limit value G higher, so that you do not get into the unstable area IB, since this can also fluctuate depending on the concentration of moisture and hydrogen.
  • FIG. 4 shows an unstable measurement behavior which can occur in the unstable range and is very disadvantageous.
  • the oxygen concentration O dashed line
  • the sensor signal S solid line
  • a control signal SL dotted line
  • FIG. 5 shows an example of a sensor arrangement 9 according to the invention with filtering as a countermeasure.
  • the sensor arrangement 9 is arranged in a pipeline R (as a gas channel).
  • the sensor module 90 shown in FIG. 2 can be assumed to be the sensor module 90 .
  • the filter element F is arranged here in the pipeline R and gas that flows through the pipeline R (arrow) must first pass through the filter element F before it hits the sensor module 90 . This filters water out of the gas flow, which causes the unstable region to be shifted to a lower oxygen concentration O, which also causes the limit value G to be shifted to a lower oxygen concentration O in this example.
  • the filter module F is not in the position shown all the time. Only when it is determined that the sensor module 90 is no longer measuring in an action area AB (see Figure 3) does the control module 95 generate a control signal SL based on the sensor signal S, which results in the filter element F being fed into the pipeline R is moved, which is represented by the dashed arrow.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a possible method sequence of a preferred measuring method with a sensor arrangement 9 as shown in the preceding figures, for example, in a device 1 as shown in FIG. 1, for example.
  • step I a gas sample P in the process space 3 of the device 1 reaches the sensor module and a sensor signal S is generated by the sensor module 90 of the sensor arrangement 9 .
  • step II the sensor signal S is compared with a predetermined limit value G and it is determined whether the sensor module 90 is measuring outside of a predetermined range of action AB. In this example, this is the case when the sensor signal S is smaller than the limit value G.
  • step III the comparison revealed that the sensor module 90 is measuring outside of a predetermined action range AB (sensor signal S is smaller than the limit value G).
  • a control signal SL is generated with which a predetermined countermeasure can be initiated, e.g. opening ventilation valves.
  • the countermeasure changes the conditions in the device 1 in such a way that the sensor module 90 measures in the action area AB again.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (9) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Sensoranordnung (9) umfassend: - ein Sensormodul (90), dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul (90) eindringenden Gasprobe (P) zu detektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal (S) zu generieren, - ein Steuermodul (95), dazu ausgelegt, anhand eines Vergleichs des Sensorsignals (S) oder einer von dem Sensorsignal (S) abgeleiteten Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert (G) zu bestimmen, ob das Sensormodul (90) außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs misst und wenn dies der Fall ist, ein Steuersignal (SL) zu generieren, welches dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Gegenmaßnahme einzuleiten, die dazu bestimmt ist, die Bedingungen in der Vorrichtung (1) so zu ändern, dass das Sensormodul (90) wieder im Aktionsbereich (AB) misst. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Fertigungsvorrichtung sowie ein Messverfahren mit einer solchen Sensoranordnung.

Description

SENSORANORDNUNG FÜR EINE VORRICHTUNG ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG, SOWIE VORRICHTUNG DAZU UND MESSVERFAHREN BASIEREND DARAUF
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird, sowie eine solche Vorrichtung und ein Messverfahren mit einer solchen Sensoranordnung.
Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt (im Folgenden auch „Bauteil“ genannt) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als “Rapid Manufacturing” bezeichnet. Ein Kernpunkt ist die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht. In jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Nach einer Abkühlung sind diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper verfestigt. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Materials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass der Sauerstoffgehalt in der Prozesskammer einen Einfluss auf die Qualität der Bauteile hat. Insbesondere gibt es dabei eine Korrelation zwischen der Porosität von metallischen Bauteilen und der Konzentration von Sauerstoff in der Prozesskammer. Für Bauteile höchster Qualität und Festigkeit sollte aus diesem Grund die Sauerstoffkonzentration während des Bauprozesses in der Prozesskammer gemessen werden und sollte z.B. nicht über 1000 ppm liegen.
Auch wenn in der Praxis oft in einer Schutzgasatmosphäre im Prozessraum gearbeitet wird, wird diese jedoch in der Regel stets durch Sauerstoff „verunreinigt“. Dies liegt insbesondere daran, dass Sauerstoff durch Undichtigkeiten in das System eindringen kann. Auch wenn der Prozessraum selber oft unter einem leichten Überdruck steht, gibt es im Gesamtsystem in den Zuleitungen bzw. den Filterstellen durchaus Stellen, an denen ein Unterdrück herrschen kann. An diesen Stellen kann z.B. Sauerstoff in das System und durch Gasbewegung auch in den Prozessraum eindringen. Sauerstoff kann aber auch aus Feuchte (Wasserdampf) im System entstehen. In der Regel besteht im Aufbaumaterial eine gewisse Restfeuchte. Diese gelangt durch Verdunstung in den Prozessraum. Im Bereich des Energiestrahls können Wassermoleküle durch dessen hohe Energie und Leistung in Sauerstoff- und Wasserstoffatomen aufgespalten werden, welche dann in Form von molekularem Wasserstoff und Sauerstoff rekombinieren. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Konzentration von atomaren Wasserstoff and atomarem Sauerstoff, welche aus der vom Laser induzierten Aufspaltung von Wasser entstehen, ist es außerdem denkbar, dass atomarer Wasserstoff und atomarer Sauerstoff nicht vollständig rekombinieren und dass aus diesem Grund auch diese atomaren Spezies in der Prozesskammer vorhanden sein können. Insbesondere kann atomarer Wasserstoff die Stabilität einer Messung der Sauerstoffkonzentration negativ beeinflussen, wie unten erläutert.
Die Sauerstoffkonzentration (aus molekularem Sauerstoff) in dem Prozessraum wird mit einem Sauerstoffsensor gemessen. Es gibt dabei verschiedene Funktionsprinzipien. Insbesondere sind hier amperometrische Sensoren und potentiometrische Sensoren zu nennen. Bei potentiometrischen Sensoren gibt eine Spannung bzw. ein Widerstand die Sauerstoffkonzentration wieder. Bei amperometrischen Sensoren werden Sauerstoffmoleküle an einer Kathode ionisiert und rekombinieren an einer Anode, wodurch ein Strom erzeugt wird, der proportional zur Sauerstoffkonzentration ist. Die Messung von Sauerstoff kann unter bestimmten Umständen jedoch fehlerhaft sein, was insbesondere an einer Querempfindlichkeit des Sensors auf Wasserstoff und Wassermoleküle liegt. Diese Stoffe können bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen fehlerhafte Signale im Sensor erzeugen. Diese fehlerhaften Signale sind grundsätzlich Wasser- und Wasserstoffmolekülen zurückzuführen, welche potenziell durch verschiede Mechanismen bzw. chemische Reaktionen das Signal verfälschen können. Molekularer Wasserstoff kann mit molekularem Sauerstoff in der Sensorumgebung reagieren, woraus Wasser generiert wird. Diese Reaktion kann von der erhöhten Betriebstemperatur des Sensors verursacht werden. Die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff führt zu einer Verminderung von Sauerstoff in der Sensorumgebung. Daraus folgend wird eine niedrige Sauerstoffkonzentration gemessen, die aber nicht mehr dem realen Sauerstoffgehalt in der Prozesskammer entspricht. Außerdem erzeugen Wasser uns Wasserstoff bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen Fehlsignale, wie oben erwähnt. Die Verminderung des Sauerstoffgehaltes in der Sensorumgebung führen also dazu, dass fehlerhafte Signale austreten. Diese fehlerhaften Signale sind wie gesagt grundsätzlich Wasser und Wasserstoff zurückzuführen, bestehen aber aus mehreren Beiträgen und die beobachteten Signalinstabilitäten können nicht schlüssig erklärt werden. Es wurde beobachtet, dass Wasserstoff tendenziell mit einer Unterschätzung des realen Sauerstoffgehaltes verbunden ist während Wasser zu einer Überschätzung des Sauerstoffgehaltes führt. Sowohl Wasserstoff als auch Wasser können je nach Bestandmaterial von den Elektroden des Sensors adsorbiert werden und dort jeweils in Wasserstoffanionen und -kationen und Hydroxidionen und Wasserstoffanionen aufgespaltet werden. Der adsorbierte Zustand von molekularem Wasserstoff und die entsprechende Aufspaltung in Wasserstoffanionen und -kationen kann je nach Temperatur- und Druckbedingungen den elektrischen Widerstand (und dementsprechend das daraus generierte elektrische Signal) der Elektroden positiv oder negativ beeinflussen. Der gleiche Effekt kann sich auch durch die Absorption von atomarem Wasserstoff ergeben, welcher in der Prozesskammer aus der Aufspaltung von Wasser entstehen kann, wie oben erklärt. Signalunstabilitäten lassen sich also durch die Adsorption von (atomarem oder molekularem) Wasserstoff auf der Elektrodenoberfläche erklären. Darüber hinaus können auch Hydroxidionen ähnlich wie Sauerstoffionen an einer Elektrode oxidiert werden und Wasserstoffkationen reduziert werden, was wieder zu einer mit molekularem Wasserstoff und molekularem Sauerstoff angereichten Atmosphäre führt. Bei einer typischen Betriebstemperatur des Sensors wird aus einer mit molekularem Wasserstoff und Sauerstoff angereichten Atmosphäre wieder Wasser generiert. Insgesamt lassen sich also die beobachteten Signalunstabilitäten auch durch ein chemisches Gewicht zwischen Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff erklären, das unter den Temperaturbedingungen in der Sensorumgebung und durch die katalytische Wirkung der Sensorelektroden in der Sensorumgebung entsteht.
Insbesondere Sensoren, die auf dem amperometrischen Prinzip basieren, weisen durch die Querempfindlichkeit prinzipbedingt ein instabiles Signalverhalten auf, wenn die Sauerstoffkonzentration auf niedrige Werte sinkt, die unterhalb einer bestimmten Messschwelle des Sensors liegen (z.B. ca. < 400ppm), z.B. aufgrund einer Feuchte- oder Wasserstoffanreicherung am Sensor. Der angegebene beispielhafte Wert von 400 ppm ist dabei nicht die gewünschte Sauerstoffkonzentration in dem Prozessraum (der z.B. bei ca. 0,1% liegt), sondern die Grenze unter der das Messsignal am Sensor typischerweise instabil wird. Insbesondere kann es bei einer sehr kleinen Sauerstoffkonzentration (von z.B. < 400ppm) zu einer wechselseitigen Generierung von Wasser und Wasserstoff/Sauerstoff und dadurch zu einer stark schwankenden Signalcharakteristik kommen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung bzw. eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein stabiles Signalverhalten selbst bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen zeigt, so dass eine additive Fertigung eines Bauteils stets unter definierten Bedingungen stattfinden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß Patentanspruch 1 , eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6, und ein Messverfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung dient einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess („Fertigungsvorrichtung“), in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird. Die Sensoranordnung umfasst die folgenden Komponenten:
- ein Sensormodul, dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul eindringenden Gasprobe zu detektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal zu generieren,
- ein Steuermodul, dazu ausgelegt, anhand eines Vergleichs des Sensorsignals oder einer von dem Sensorsignal abgeleiteten Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert zu bestimmen, ob das Sensormodul außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs misst und wenn dies der Fall ist, ein Steuersignal zu generieren, welches dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Gegenmaßnahme einzuleiten, die dazu bestimmt ist, die Bedingungen in der Vorrichtung so zu ändern, dass das Sensormodul wieder im Aktionsbereich misst.
Ein geeignetes Sensormodul ist im Stand der Technik bekannt. Die Erfindung kann besonders vorteilhaft für amperometrisch oder potentiometisch messende Sensoren angewandt werden, ist aber auch für andere Sensoren vorteilhaft. Die Sensormodule können mit einem Referenzsensor und/oder einer Referenzkomponente ausgestattet sein, die in der Lage sind, eine Referenzmessung durchzuführen. Insbesondere bei potentiometrischen Sensoren ist eine Referenzkammer bzw. das Referenzvolumen im Sensor integriert, wobei das Referenzvolumen unmittelbar im Kontakt mit einer Elektrode steht. Im Folgenden ist mit dem Begriff "Referenzsensor" auch die „Referenzkomponente“ eines Sensors gemeint. Bei amperometrisch messenden Sensoren umfasst der Referenzsensor und/oder die Referenzkomponente eine elektrochemische Referenzzelle, z.B. eine Feststoffzelle, (z.B. werden zur Messung Feststoffzellen aus Palladium, Rhodium, Rubidium und den entsprechenden Oxiden verwendet) und bei potentiometrisch messenden Sensoren ein Referenzgasvolumen.
Es sei angemerkt, dass ein Sensor in Abhängigkeit von den im Messbereich vorhandenen Sauerstoffmolekülen sein Sensorsignal generiert. Das Sensorsignal ist damit zunächst von der Menge der Sauerstoffmoleküle abhängig. Da die Messparameter jedoch zumeist bekannt sind (z.B. das Volumen der Gasprobe und deren Druck), kann aus dem Sensorsignal zumeist direkt auf die Sauerstoffkonzentration geschlossen werden, bzw. das Sensorsignal ist direkt ein Maß für die Sauerstoffkonzentration. Bevorzugt ist das Sensorsignal proportional zur Sauerstoffkonzentration.
Das Sensorsignal kann ein analoges Signal sein, insbesondere eine Spannung oder ein Strom, oder ein digitales Signal, z.B. ein digitaler Zahlenwert. Letzteres kann durch Umsetzung eines analogen Signals mittels eines Analog-Digital Converters (ADC) erreicht werden.
Hierzu sollte beachtet werden, dass insbesondere bei amperometrisch messenden Sensoren Wasser und Wasserstoff zu Störanteilen im Sensorsignal führen. Beispielsweise wird bei einer amperometrischen Nerstzelle eine Spannung an der zwei Platinelektroden angelegt. An der Kathode, die unmittelbar in Kontakt mit der zu messenden Gasprobe steht, werden Sauerstoffmoleküle zu Sauerstoffionen (O2') reduziert. Die Sauerstoffionen diffundieren durch ein Festelektrolyt, z.B. eine ZrO2-Platte, und werden an der Anode oxidiert. Der durch diese Oxidation generierte Strom wird am Amperometer gemessen. Dazu ist eine Referenzmessung notwendig, die z.B. durch eine Pd/PdO Feststoffzelle realisiert wird. Der hier beschriebene Effekt liegt auch bei einem potentiometrischen Sensor vor.
In dem Prozessraum ist aber nicht nur Sauerstoff vorhanden, sondern auch Wasserstoff und Wasser. Wasser entsteht vor allem aus der Feuchte, die unvermeidbar im Pulver enthalten ist. Einige Metallpulver können auch Wasserstoff enthalten, welches während des Bauprozesses entweichen kann. Sauerstoff kommt in dem Prozessraum in erster Linie hauptsächlich von undichten Stellen des Prozessraumes selbst.
In einem ersten Schritt wird Wasser (welches vom Pulver entweicht) durch die Strahlung des Energiestrahls (z.B. Laserstrahlung) in Wasserstoff- und Sauerstoffatome gespalten, welche rekombinieren, um molekularer Sauerstoff und molekularer Wasserstoff zu generieren. Wasserstoff und Sauerstoff können in der Kammer bis zum Sensor diffundieren, wobei zu beachten ist, dass Sauerstoff einfacher von Metallkondensaten aufgenommen wird. Es kann also davon ausgegangen werden, dass Sauerstoff und Wasserstoff in der Kammer bzw. am Sensor nicht im Verhältnis 1 :2 stehen. Wie vorangehend gesagt stammt der in der Gasprobe im Sensor vorhandene Sauerstoff vorwiegend aus den undichten Stellen des Prozessraums und steht in keinem chemischen Verhältnis zum Wasserstoff, der hauptsächlich von der Aufspaltung von Wasser entsteht bzw. direkt vom Metallpulver entweicht.
Wasser kann aber auch aus der Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff am Sensor entstehen. Diese Reaktion wird von der hohen Temperatur am Sensor verursacht (die Betriebstemperatur sollte zwischen 300-700°C liegen, um die Diffusion der Sauerstoffionen durch die ZrC>2-Platte zu erlauben). Diese Reaktion führt zu einer Verminderung des gemessenen Stroms am Sensor, weil Sauerstoff von dieser Reaktion verbraucht wird und dieser daraus folgend nicht mehr zur Kathode gelangt.
Neben Sauerstoff kann Wasserstoff am Sensor zu Wasserstoffionen aufgespalten werden und zu einem Strom zwischen den Elektroden führen. Wenn die Sauerstoffkonzentration deutlich größer als die Wasserstoffkonzentration ist, kann Sauerstoff vom Sensor zuverlässig gemessen werden. Im umgekehrten Fall (H2-Überschuss) verursacht der Wasserstoff eine Instabilität am Sensor. Wasserstoff kann in zwei unterschiedlichen Zuständen von Platin adsorbiert werden. In einem von diesen Zuständen verursacht die Absorption von Wasserstoff eine Vergrößerung des elektrischen Widerstands von Platin, im anderen eine Verminderung des elektrischen Widerstands. In welchem Zustand sich der adsorbierte Wasserstoff befindet, hängt in erster Linie von der Temperatur ab. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur des Sensors kann Wasserstoff von einem Zustand zum anderen wechseln und zu Signalunstabilitäten führen.
Des Weiteren kann im Sensor Wasser (H2O) in Wasserstoffanionen (H+) und Hydroxidionen (OH-) aufgespalten werden. Wenn zumindest eine minimale Konzentration von Wasser am Sensor vorhanden ist (aus dem Aufbaumaterial oder aus der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff), wird das Wasser von Platin adsorbiert. Die entstandenen Ionen verhalten sich analog wie Sauerstoff am Sensor: Wasserstoffanionen (H+) werden an der Kathode reduziert und Wasserstoff diffundiert in die Kammer, während Hydroxidionen (OH-) an der Anode ähnlich wie Sauerstoffionen oxidiert werden. Aufgrund der Oxidation von Hydroxidionen wird ein Strom am Amperometer gemessen, als ob Sauerstoff in der Kammer vorhanden wäre. Dieser Reaktionsverlauf ist äquivalent zu der Elektrolyse von Wasser. Die Konzentration von Sauerstoff wird in diesem Fall überschätzt. In dieser Reaktion wird Wasser verbraucht, außerdem entsteht Wasserstoff in der Kammer, was wieder zu einem instabilen Signal aufgrund der Wasserstoff-Absoption auf Platin führt oder wieder zu einem Verbrauch von Sauerstoff (durch die Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff) und deswegen zu einer Verminderung des Signals am Sensor bzw. zu einer Unterschätzung der Sauerstoffkonzentration.
Die Hydroxidionen können auch zu einem Strom zwischen den Elektroden führen, der zwar ebenfalls normalerweise weit unter dem Sauerstoff-Signal liegt, bei geringen Sauerstoffkonzentrationen und hohen Wasserkonzentrationen aber auch dominant werden kann.
Das Sensormodul weist wie jeder Sensor einen Messbereich auf, in dem es die Messungen durchführen kann. Dieser Messbereich lässt sich in zwei Bereiche aufteilen. Einen stabilen Bereich (in dem der "Aktionsbereich" liegt), in dem Sauerstoff noch gut gemessen werden kann und einen instabilen Bereich, in dem die vorgenannten Mechanismen das Sensorsignal verfälschen. Die Auswahl des Aktionsbereichs liegt dabei in den Händen eines Benutzers (er liegt jedoch stets außerhalb des instabilen Bereichs im stabilen Bereich). Im Instabilen Bereich steigt das Sensorsignal bei einer weiter abfallenden Sauerstoffkonzentration nach einem gewissen Umkehrpunkt zumeist wieder an (bei einem invertierten Sensorsignal wäre es genau umgekehrt). Dieser Umkehrpunkt kann als eine mögliche Grenze zwischen dem Aktionsbereich und einem unerwünschten Bereich (dem Rest des Messbereichs) angesehen werden. Hierzu sollte beachtet werden, dass der Aktionsbereich im Grunde frei gewählt werden kann (solange er außerhalb des instabilen Bereichs liegt) und damit auch der unerwünschte Bereich. Jenseits des Umkehrpunktes geht das Sensorsignal nicht mehr monoton mit der Sauerstoffkonzentration einher, sondern wird durch andere Effekte dominiert (was der Grund für das Ansteigen ist).
Der Aktionsbereich ist dabei verglichen mit dem unerwünschten Bereich grundsätzlich der Bereich höherer Sauerstoffkonzentration und liegt stets im stabilen Bereich des Sensors. Ein Benutzer ist nicht auf den Umkehrpunkt festgelegt, kann jedoch auch bestimmen, dass ab einer bestimmten Sauerstoffkonzentration höher als am vorgenannten Umkehrpunkt der Aktionsbereich bereits verlassen wird (was bevorzugt ist). Dann reicht der Aktionsbereich nur bis zu diesem vom Benutzer festgelegten Punkt. Es kann auch sein, dass der Aktionsbereich von vorneherein festgelegt ist, z.B. auf einen Bruchteil der minimal gewünschten Sauerstoffkonzentration während der Fertigung. z.B. 90% von der Minimalkonzentration.
Innerhalb des Aktionsbereichs kann das Sensorsignal eineindeutig einer Sauerstoffkonzentration zugeordnet werden. Die eindeutige Korrelation zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem Sensorsignal kann auch eine Basis für die Vorbestimmung des Aktionsbereichs darstellen (Der Aktionsbereich ist der Bereich höherer Sauerstoffkonzentration, in dem das Sensorsignal in einem bestimmten Zusammenhang mit der Sauerstoffkonzentration steht, bevorzugt ist das Sensorsignal proportional zur Sauerstoffkonzentration). Die Grenze zwischen Aktionsbereich und dem unerwünschten Bereich wird für das Sensorsignal durch einen Grenzwert charakterisiert. Es sollte dabei beachtet werden, dass das Sensorsignal nach einem Absinken im Aktionsbereich (bei absinkender Sauerstoffkonzentration) im unterwünschten Bereich durchaus wieder Werte annehmen wird, die eine höhere Sauerstoffkonzentration vorgaukeln. Der Grenzwert charakterisiert die Grenze zwischen Aktionsbereich und unerwünschtem Bereich, indem er einen Wert vorgibt, den das Sensormodul an dieser Grenze anzeigen würde oder den Wert einer von dem Sensorsignal ableitbaren Größe, z.B. für die Steigung des Sensorsignals nach der Zeit. In dem vorgenannten Beispiel, bei dem als Grenze der Punkt gewählt wird, ab dem das Sensorsignal bei einer abfallenden Sauerstoffkonzentration wieder ansteigt, ist der Grenzwert das Minimum des Sensorsignals. Bei dem anderen genannten Beispiel wird der Grenzwert von einem Benutzer festgelegt (sollte aber über diesem Minimum liegen) und repräsentiert die Grenze des Aktionsbereichs. Wie man hier sieht, kann der Aktionsbereich auch durch die Festlegung des Grenzwerts vorbestimmt werden. Hierzu ist zu beachten, dass wenn der Grenzwert dem Minimum des Sensorsignals entspricht, man beim Überschreiten des Grenzwerts bereits im instabilen Bereich misst (unerwünschter Bereich = instabiler Bereich). Wenn man sich jedoch im instabilen Bereich befindet, ist ein effektives Gegenzusteuern schwierig, da man sich nun nicht mehr auf die Sensorsignale verlassen kann. Hinzu kommt, dass das Minimum im Voraus nicht bestimmbar ist, da es von der Konzentration von Wasserstoff und Feuchte abhängt. Bevorzugt ist daher eine Wahl des Grenzwerts, indem eine minimale Grenze für die Sauerstoffkonzentration bestimmt wird, die unter der für den Bauprozess vorgegebenen Sauerstoffkonzentration liegt (z.B. 0,06% bei einer gewünschtenKonzentration von 0,1 %). Bevorzugt liegt eine Grenze bei weniger als 95% der gewünschten Obergrenze der Sauerstoffkonzentration für die Fertigung, besonders bevorzugt bei weniger als 80%, insbesondere bei weniger als 50% oder gar weniger als 20%. Bevorzugt liegt eine Grenze jedoch höher als die Minimalgrenze bei der der Sensor seinen stabilen Bereich verlässt, Es wird nun ermittelt (durch Kalibrationsmessungen oder aus Berechnungen), wie groß das Sensorsignal bei dieser Grenze wäre. Dieses Sensorsignal würde nun dem Grenzwert entsprechen.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Aktionsbereich einen Bereich mit einer bestimmten Sauerstoffkonzentration darstellt, in dem das Sensormodul noch eindeutige Messwerte liefert und der Grenzwert entspricht einem Sensorsignal (oder einer von dem Sensorsignal ableitbaren Größe) an der Grenze des Aktionsbereichs.
Das Steuermodul vergleicht nun das Sensorsignal mit dem Grenzwert. Alternativ oder zusätzlich vergleicht das Steuermodul eine von dem Sensorsignal abgeleiteten Größe, z.B. dessen Steigung, mit dem Grenzwert. Mit diesem Vergleich wird bestimmt, ob das Sensormodul außerhalb des Aktionsbereichs misst. Bei einem Sensorsignal, welches mit abfallender Sauerstoffkonzentration abfällt, liegt dieses z.B. außerhalb des Aktionsbereichs, wenn es unter dem Grenzwert liegt. Ist es invertiert und steigt mit fallender Sauerstoffkonzentration an, dann liegt es z.B. außerhalb des Aktionsbereichs, wenn es über dem Grenzwert liegt. Generell kann man sagen, dass man sich im unerwünschten Bereich befindet, wenn sich das Sensorsignal jenseits des Grenzwerts befindet.
Wenn dies nun der Fall ist, generiert das Steuermodul ein Steuersignal, welches dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Gegenmaßnahme einzuleiten, die wiederum dazu bestimmt ist, die Bedingungen in der Vorrichtung so zu ändern, dass das Sensormodul wieder im Aktionsbereich misst. Wohlgemerkt sind die Einrichtungen zur Einleitung von Gegenmaßnahmen zunächst nicht zwingend Teil der Sensoranordnung. Die Sensoranordnung erkennt in ihrer einfachsten Ausführung lediglich, ob man im unerwünschten Bereich misst (also außerhalb des Aktionsbereichs). Es können aber durchaus auch Komponenten zur Einleitung von Gegenmaßnahmen vorhanden sein, z.B. eine Spannungsregelung oder eine Temperaturregelung für das Sensormodul, die dann durch das Steuersignal die Spannung bzw. die Temperatur des Sensormoduls entsprechend ändern.
Das Steuersignal kann im einfachsten Fall eine Spannung (oder auch eine logische Null) sein, was dann von einer Fertigungsvorrichtung entsprechend registriert wird. Beispielsweise ist das Steuersignal stets auf einem logischen "HIGH"-Niveau, wenn man im Aktionsbereich misst und fällt beim Verlassen des Aktionsbereichs auf ein logisches "LOW" ab. Durch das "LOW" erkennt die Fertigungsvorrichtung, dass sie Gegenmaßnahmen einleiten muss. Selbstverständlich kann das Steuersignal auch umgekehrt verwendet werden (von "LOW nach "HIGH") oder noch mehr Informationen umfassen, z.B. wie tief man sich im unerwünschten Bereich befindet, bzw. wie stark die Gegenmaßnahme sein sollte.
Es gibt eine Vielzahl von möglichen Gegenmaßnahmen, die dazu bestimmt sein können, die Bedingungen in der Vorrichtung so zu ändern, dass das Sensormodul wieder im Aktionsbereich misst. Dies wäre z.B., dass Sauerstoff in die Vorrichtung eingebracht wird. Da bei normalen Sensoren der Aktionsbereich erst weit unter der für einen Fertigungsprozess verwendeten Sauerstoffkonzentration verlassen wird (z.B. bei 400 ppm bei einer für die Fertigung gegebene Grenze von 1000 ppm), würde eine kleine Zugabe von Sauerstoff die für die Fertigung gegebene Grenze nicht überschreiten, aber eine Sauerstoffkonzentration schaffen, in der das Sensormodul wieder im Aktionsbereich misst. Es kann aber auch als Gegenmaßnahme ein Inertgasstrom verstärkt werden. Bei einem Sensor, der oben in dem Prozessraum angeordnet ist, könnte sich das leichte Wasserstoffgas sammeln. Durch einen verstärkten Inertgasstrom würde eine Verwirbelung des Gases im Prozessraum erfolgen und die Atmosphäre am Sensormodul wieder homogenisiert. Durch dieses "Sauberblasen" könnte das Sensormodul ebenfalls wieder im Aktionsbereich messen.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist jedoch, dass durch die Wahl des Grenzwerts eine prädikative Einleitung von Gegenmaßnahme erfolgen kann. Bisher tritt bei Fertigungsvorgängen zuweilen das Phänomen auf, dass das Sensorsignal durch eine gezielte Ver- Stärkung des Inertgasstroms Schwankungen ergibt, die sich mitunter verstärken, Das System Sensormodul-Inertgaspumpe führt dabei zu einem Aufschaukeln des Sensorsignals. Dies geschieht häufig, wenn man die Inertgaspumpe auf ein Ansteigen des Sensorsignals triggert. Ein Signalanstieg erfolgt bei einem Ansteigen der Sauerstoffkonzentration, aber auch wenn das Sensormodul beginnt im instabilen Bereich zu messen. Wird bei letzterem der Inertgasstrom verstärkt, kann der Effekt auftreten, dass die Sauerstoffkonzentration weiter verringert wird. Zwar sinkt das Sensorsignal durch das Anblasen schnell ab, steigt jedoch sofort nach Abschalten des Inertgasstroms genauso schnell wieder an (da das Sensormodul nun noch "tiefer" im instabilen Bereich misst). Dies führt wieder nach kurzer Zeit wieder zu einem Anschalten des Inertgasstroms, da schnell wieder die Grenze überschritten ist und ein nachteilhafter Kreislauf beginnt, in der das Sensorsignal stark schwankt. Wohlgemerkt impliziert ein Anstieg des Sensorsignals über die hier genannte Grenze, dass man bereits seit einiger Zeit im instabilen Bereich misst (das Minimum des Sensorsignals "hat man bereits hinter sich gelassen") und den Aktionsbereich somit bereits lange verlassen hat.
Dem kann durch die Erfindung entgegengewirkt werden, da hier das Verlassen des Aktionsbereichs (der einen Teil des stabilen Bereichs darstellt) der ausschlaggebende Faktor für Gegenmaßnahmen ist. Jedoch sollte man für einen vorteilhaften Vergleich berücksichtigen, dass ein Anstieg des Sensorsignals im Grunde aus drei Gründen erfolgen kann (die zwei oben genannten Gründe spalten sich in drei Gründe auf):
- Ansteigen der Sauerstoffkonzentration
- Abfallen der Sauerstoffkonzentration ab einer gewissen Mindestkonzentration,
- Anstieg der Konzentration von Feuchte oder Wasserstoff.
Die beiden letzten Punkte betreffen dabei den instabilen Bereich, der letzte Punkt betrifft eine Verschiebung der Grenze zwischen dem instabilen Bereich und Aktionsbereich.
Auf die Verschiebung der Grenze wird hier etwas genauer eingegangen. Steigt die Konzentration von Wasserstoff oder Feuchte (gasförmiges Wasser) an, so kann es vorkommen, dass das Sensormodul schon bei höheren Sauerstoffkonzentrationen im instabilen Bereich misst, da Effekte der unerwünschten Gase im Sensormodul dominieren. Dem kann durch eine dynamische Wahl des Grenzwerts entgegengewirkt werden (Minimum des Sensorsignals) oder durch eine feste Wahl des Grenzwerts ein Stück vom Minimum entfernt (ein höherer Wert als das Sensorsignal im Minimum). Somit ist sichergestellt, dass auch bei schwankenden Feuchte- und Wasserstoffkonzentrationen der Aktionsbereich und der instabile Bereich stets disjunkt sind. All das vorangesagte gilt natürlich für ein Sensorsignal, welches mit fallender Sauerstoffkonzentration abfällt. Für ein invertiertes Sensorsignal gilt entsprechendes umgekehrt (Hier existiert ein Maximum statt eines Minimums).
Wenn man wie oben gesagt, im Aktionsbereich messend startet, und das Sensorsignal den Grenzwert übertritt, dann befindet man sich zwar im unerwünschten Bereich, aber nicht zwangsläufig im instabilen Bereich. Da die nachteilhaftesten Effekte bei Messungen im instabilen Bereich auftreten, kann mit einer geeigneten Wahl des Grenzwerts eine prädikative Einleitung von Gegenmaßnahmen erfolgen. Ist der unerwünschte Bereich größer als der instabile Bereich (Grenzwert stets vom Minimum des Sensorsignals entfernt bei höheren Sauerstoffkonzentrationen), so können Gegenmaßnahmen durch das Steuermodul bereits eingeleitet werden, bevor der instabile Bereich erreicht wird. Ein Beispiel wäre die Einleitung von Gegenmaßnahmen, wenn das Sensorsignal den Grenzwert unterschreitet (bei einem Sensorsignal, welches der Sauerstoffkonzentration folgt). Bei einem invertierten Sensorsignal wäre dies ein Überschreiten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) dient zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird. Die Vorrichtung umfasst die folgenden Komponenten:
- eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial auf das Baufeld,
- eine Bestrahlungsvorrichtung, um zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten Aufbaumaterial durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl selektiv zu verfestigen, sowie
- eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.
Die Zuführvorrichtung (z.B. eine Anordnung zum schichtweise Aufträgen eines Metallpulvers) und die Bestrahlungsvorrichtung (z.B. ein Laser) sind im Stand der Technik bekannt. Die Besonderheit liegt in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die eine bessere Messung der Sauerstoffkonzentration erlaubt. Die Fertigungsvorrichtung kann neben diesen Komponenten noch weitere Komponenten aufweisen, wie sie üblicherweise zur Fertigung vorhanden sind. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die entsprechend koordiniert mit Steuerdaten angesteuert werden können. Lediglich der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z.B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
Ein erfindungsgemäßes Messverfahren mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfasst die folgenden Schritte:
- Generieren eines Sensorsignals durch das Sensormodul der Sensoranordnung,
- Vergleichen des Sensorsignals oder einer von dem Sensorsignal abgeleiteten Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert und bestimmen, ob das Sensormodul außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs misst,
- wenn der Vergleich ergibt, dass das Sensormodul außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs misst: Einleiten einer vorbestimmten Gegenmaßnahme, die dazu bestimmt ist, die Bedingungen in der Vorrichtung so zu ändern, dass das Sensormodul wieder im Aktionsbereich misst, wobei bevorzugt ein Steuersignal erzeugt wird, mit dem die Gegenmaßnahme eingeleitet werden kann.
Das Messverfahren (sowie die Sensoranordnung) kann mehrstufig arbeiten. Dazu werden mehrere Aktionsbereiche mit mehreren Grenzwerten definiert und bei Passieren eines dieser Grenzwerte eine dem jeweiligen Grenzwert zugeordnete Gegenmaßnahme eingeleitet werden.
Als Gegenmaßnahme kann z.B. ein Gasstrom z.B. durch eine Umwälzpumpe oder eine Pumpe zum Einblasen eines Schutz- oder Inertgases erzeugt werden. Es muss dabei nicht unbedingt direkt auf das Sensormodul geblasen werden. Es genügt, wenn sich Gas am Sensor vorbei bewegt, was durch eine Umwälzung im Prozessraum geschehen kann oder mittels eines Luftstroms durch eine Leitung, in der das Sensormodul liegt.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Sensoranordnung ist das Steuermodul dazu ausgelegt zu ermitteln,
- ob das Sensorsignal über oder unter einem Grenzwert liegt, der die Grenze des Aktionsbereichs charakterisiert,
- ob die vom Sensorsignal abgeleitete Größe, bevorzugt die erste Ableitung nach der Zeit über oder unter dem Grenzwert liegt,
- ob ein Maximum oder Minimum des Sensorsignals als Grenzwert überschritten wurde (dies bezieht sich auf den oben erwähnten Umkehrpunkt),
- ob das Sensorsignal unter oder über einem ersten Grenzwert liegt und die vom Sensorsignal abgeleitete Größe, bevorzugt die erste Ableitung nach der Zeit, unter oder über einem zweiten Grenzwert liegt.
Gleiches gilt für ein bevorzugtes Messverfahren.
Was die Bedingungen "unter" und "über" betrifft, ist diesbezüglich stets zu beachten, ob der Grenzwert überschritten wurde. Bei einem Sensorsignal, welches der Sauerstoffkonzentration folgt (abfallendes Sensorsignal bei abfallender Sauerstoffkonzentration), wird ermittelt, ob der Grenzwert unterschritten wurde. Bei einem Sensorsignal, welches der Sauerstoffkonzentration invertiert folgt (ansteigendes Sensorsignal bei abfallender Sauerstoffkonzentration), wird ermittelt, ob der Grenzwert überschritten wurde. Was abgeleitete Größen betrifft, hängt ein Vergleich vom Signalverlauf ab. Zumeist sind im instabilen Bereich größere Anstiege bei kleineren Konzentrationsänderungen zu beobachten. Andererseits ist es bevorzugt, dass der instabile Bereich gerade durch die Gegenmaßnahmen vermieden wird. Es kann jedoch sein, dass noch vor dem Umkehrpunkt die Steilheit des Sensorsignals bei einer gleichmäßigen Abnahme der Sauerstoffkonzentration ansteigt oder abfällt. Dieser Effekt könnte für den Vergleich verwendet werden.
Der Vergleich erfolgt bevorzugt zusätzlich basierend auf einer Anzahl von weiteren Messwerten, insbesondere mit einer Anzahl von Messwerten der Gruppe gemessene Feuchte, ein weiteres Sensorsignal, gemessene Temperatur und gemessener Druck. Ist z.B. die Feuchte bekannt, kann der Umkehrpunkt bzw. ein dynamischer Grenzwert berechnet werden. Ein anderes Sensorsignal kann durch Vergleich mit dem ursprünglichen Sensorsignal einen Hinweis geben, ob man sich noch im Aktionsbereich befindet, bzw. wie weit man vom Grenzwert noch entfernt ist. Auch Temperatur oder Druck können hilfreich sein. Es sollte hier beachtet werden, dass lediglich das Sensorsignal vorliegt und dessen Werte im instabilen Bereich Werten im Aktionsbereich sehr stark ähneln.
Gemäß einer bevorzugten Sensoranordnung wird das Sensorsignal mathematisch oder durch eine Glättungseinheit geglättet. Dies hat den Vorteil, dass kleinere Fluktuationen noch keine Auswirkungen auf die Einleitung von Gegenmaßnahmen haben. In der analogen Schaltungstechnik wird dies auch als "Entprellen" bezeichnet. Es können dabei neben den im Folgenden beschriebenen mathematischen Verfahren auch Schaltungen zur Glättung verwendet werden, z.B. eine Integration eines Kondensatorstroms oder eine Konvertierung des Signals in eine digitale Zahl innerhalb eines Zeitfensters. Es wird dazu bevorzugt ein gleitendes Zeitfenster verwendet, bei dem der Wert für das älteste Sensorsignal bei hinzukommen eines neuen Sensorsignals gelöscht wird.
Das Steuermodul umfasst bevorzugt zur Glättung einen Zeitgeber, und der Vergleich des Sensorsignals oder einer von dem Sensorsignal abgeleiteten Größe mit dem vorgegebenen Grenzwert basiert auf einer oder mehreren der im Folgenden aufgelisteten Möglichkeiten:
Es wird ermittelt ob der Vergleich innerhalb einer vorbestimmten Glättungszeit dasselbe Ergebnis hat. Beispielsweise wird ermittelt, ob das Sensorsignal über die Glättungszeit hinweg unter dem Grenzwert lag.
Das Sensorsignal wird über eine vorgegebene Integrationszeit integriert und das integral mit dem Grenzwert verglichen.
Es wird ein statistischer Mittelwert über mehrere Sensorsignale innerhalb einer vorgegebenen Messzeit gebildet.
Die Zeiten sind dabei bevorzugt länger als 0,1 s, insbesondere länger als 1 s. Jedoch sind die Zeiten bevorzugt kürzer als 60 s, insbesondere kürzer als 30 s.
Eine bevorzugte Sensoranordnung umfasst ein selektives Filterelement, welches als Gegenmaßnahme zur Filterung der Gasprobe verwendbar ist. Das Filterelement ist dabei zum Filtern einer Gasprobe ausgelegt, so dass zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen und/oder Wasserstoffionen aus der Gasprobe herausgefiltert werden, wobei das Filterelement bevorzugt durch ein Adsorbermaterial, ein Molekülgitter oder durch eine Elektrode des Sensormoduls gebildet wird, wobei insbesondere das Elektrodenmaterial der Elektrode so gewählt ist, dass die Umsetzung von gasförmigem Wasser zu Wasserstoffionen und Hydroxidionen und/oder die Umsetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff und/oder die Generierung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff und/oder die Adsorption von gasförmigem Wasser gehemmt ist (oder sogar komplett vermieden wird).
Gemäß einer bevorzugten Sensoranordnung weist das Sensormodul (zumindest) eine Anode und (zumindest) eine Kathode auf und ist insbesondere ein amperometrisch oder potentiometrisch messender Sensor. Es ist dabei bevorzugt, dass die Sensoranordnung zwischen Anode und Kathode ein Festelektrolyt, insbesondere Zirkondioxid (ZrÜ2) umfasst.
Eine bevorzugte Sensoranordnung umfasst eine Regelvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls zu regeln. Dabei werden Spannung bzw. Temperatur in einem vorgegebenen Bereich gehalten, in dem eine Ionisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigen Wasser und/oder Wassersoff gehemmt ist oder sogar (komplett) vermieden wird. Eine Spannung wird dabei bevorzugt unter einen vorgegebenen Grenzwert gesenkt. Es ist dabei bevorzugt, dass die Betriebsspannung des Sensors um ±0,8/0,9V bis auf ±0,3/0, 4V gesenkt wird. Es ist generell bevorzugt, den Sensor bei einer Temperatur zwischen 300-700°C zu betreiben.
Eine bevorzugte Sensoranordnung umfasst ein Referenz-Sensormodul (wobei mit diesem Begriff auch ein Sensor mit einer Referenzkomponente gemeint sein kann), welches bevorzugt mit einer anderen Spannung betrieben wird als das Sensormodul, insbesondere einer niedrigeren Spannung. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Referenz-Sensormodul ein Referenzgas als Gasprobe in einer Referenzkammer (bevorzugt bei einem potentiometrisch messenden Sensormodul). Alternativ oder zusätzlich umfasst das Referenz-Sensormodul eine Referenzmesszelle, bevorzugt eine Feststoffzelle z.B. aus Palladium bzw. Palladiumoxid. Diese Ausführungsform betrifft bevorzugt ein amperometrisch messendes Sensormodul.
Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst Komponenten, die zur Einleitung von Gegenmaßnahmen verwendbar sind, wobei das Steuermodul der Sensoranordnung signaltechnisch, insbesondere datentechnisch, mit der Vorrichtung derart verbunden ist, dass diese Gegenmaßnahmen mit Komponenten der Vorrichtung durch das Steuersignal des Steuermoduls eingeleitet werden können. Eine bevorzugte Komponente zur Einleitung einer Gegenmaßnahme ist eine Gas- Strömungseinrichtung (z.B. eine Ventilsteuerung oder eine Gaspumpe), ausgelegt zur Erzeugung eines Gasstroms im Prozessraum. Damit ist ein Element gemeint, mit dem ein Gas mit Druck beaufschlagt werden kann oder Gas bewegt werden kann. Die Vorrichtung ist dabei bevorzugt so gestaltet, dass eine Gasprobe mittels der Gaspumpe zu der Sensoranordnung bewegt wird, bevorzugt wobei die Gaspumpe dazu ausgelegt ist, das Gasvolumen in einem Prozessraum der Vorrichtung umzuwälzen, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas in den Prozessraum einzuführen.
Die Gas-Strömungseinrichtung kann aber auch bevorzugt ein Einlassventil und ein Auslassventil umfassen, wobei das Steuersignal so ausgestaltet ist, dass das Einlassventil und das Auslassventil geöffnet werden. Dadurch wird Gas und damit auch Feuchte und Wasserstoff aus dem Prozessraum abgeführt. Bevorzugt umfasst dabei die Vorrichtung einen Gaskanal und das Sensormodul der Sensoranordnung ist in diesem Gaskanal so angeordnet, dass durch den Gaskanal strömendes Gas als Gasprobe für eine Messung dient. Bevorzugt wird Gas vom Prozessraum durch den Gaskanal abgeführt, in dem das Sensormodul der Sensoranordnung abgeführt wird. Optional ist zwischen diesem Gaskanal und dem Prozessraum ein Auslassventil angeordnet.
Bei einem bevorzugten Messverfahren wird der Grenzwert und der vorbestimmte Aktionsbereich (automatisch) ermittelt und geprüft, ob das Sensormodul innerhalb des Aktionsbereichs misst. Dies kann z.B. durch Messung der Feuchte geschehen oder durch einen Testbetrieb mit einer vorbekannten geänderten Sauerstoffkonzentration.
Bei einem bevorzugten Messverfahren wird aus mehreren Sensorsignalen zu unterschiedlichen Zeiten eine Messkurve generiert und ein lokales Maximum oder Minimum der Messkurve ermittelt und dies als Maß dafür genommen, ob das Sensorsignal jenseits des Grenzwerts liegt.
Bei einem bevorzugten Messverfahren wird als Grenzwert ein maximaler oder minimaler Wert für eine Standardabweichung des Sensorsignals vorgegeben. Bei einem bevorzugten Messverfahren wird geprüft, welcher Fertigungsprozess ausgewählt wurde, und der Grenzwert und damit der Aktionsbereich in Abhängigkeit zu diesem Fertigungsprozess bestimmt, insbesondere basierend auf einer gesamten Belichtungszeit pro Schicht und/oder einer Menge des verwendeten Aufbaumaterials. Auch eine Gegenmaßnahme kann automatisch abhängig von dem Fertigungsprozess aus einer vorgegebenen Menge von Gegenmaßnahmen ausgewählt werden.
Bei einem bevorzugten Messverfahren wird für eine Referenzmessung der Sauerstoff- Partialdruck im Sensormodul bis zu einer vorgegebenen minimalen Konzentration vermindert. Dies geschieht bevorzugt durch Pumpen mit einer Spannung oder durch einen Sauerstoffadsorber oder durch ein gezieltes Spülen des Probegases. Das Pumpen mit einer Spannung kann dadurch erfolgen, dass an den (Platin)elektroden des Sensormoduls eine Spannung, die bspw. höher als die Betriebsspannung für die Messung der Sauerstoffkonzentration sein kann, angelegt wird, wodurch diese als Sauerstoffpumpe fungieren (durch die Ionisierung und Bewegung im elektrischen Feld). Dabei wird Sauerstoff von der zu messenden Atmosphäre durch den Elektrolyten geleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die an den Elektroden angelegten Spannung im Vergleich mit der Betriebsspannung invertiert werden, so dass der Sauerstoffgehalt im Referenz-Sensormodul vermindert wird.
Bei einem bevorzugten Messverfahren wird eine Referenzmessung mit dem Sensormodul bei anderen Voreinstellungen als bei der Generierung des Sensorsignals durchgeführt. Bevorzugt erfolgt dies bei einer anderen Betriebsspannung, wobei die anderen Voreinstellungen so gewählt sind, dass ein auf Wasserstoff und/oder gasförmigem Wasser basierendes Signal unterdrückt ist und basierend auf einem aus dieser Referenzmessung erhaltenen Referenzsignal und dem Sensorsignal ein Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff und/oder gasförmigem Wasser ermittelt wird. Es ist dabei bevorzugt, dass basierend auf dem ermittelten Verhältnis eine Korrektur des Sensorsignals durchgeführt wird.
Bei einem bevorzugten Messverfahren wird eine bestimmte Gegenmaßnahme oder es werden mehrere Gegenmaßnahmen ausgewählt. Je nach Sensorsignal bzw. einer Veränderung des Sensorsignals können dabei auch unterschiedliche Gegenmaßnahmen bei unterschiedlichen Veränderungen ausgewählt werden. Im Folgenden wird eine Gruppe von Gegenmaßnahmen aufgelistet, aus der eine oder mehrere Maßnahmen als gleichzeitig angewandte oder alternative (oder alleinige) Gegenmaßnahmen ausgewählt werden können: - Steigerung der Leistung einer Pumpe der Vorrichtung, insbesondere eine Pumpe zum Einlassen eines Schutzgases oder Inertgases. Diese Gegenmaßnahme wurde weiter oben bereits beschrieben und dient der Homogenisierung der Atmosphäre im Inneren des Prozessraumes.
- Öffnen eines Ventils der Vorrichtung, bevorzugt ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil. Diese Gegenmaßnahme wurde weiter oben bereits beschrieben und dient dem Austausch der Atmosphäre im Inneren des Prozessraumes.
- Simulation eines Sensorsignals, insbesondere mit einer prädikativen Komponente. Dies wird weiter unten genauer erläutert.
- Einbringen von Sauerstoff in den Prozessraum. Dieser auf den ersten Blick widersinnige Schritt basiert darauf, dass im instabilen Bereich eine bedeutend geringere Sauerstoffkonzentration vorliegt, als die gewünschte Obergrenze für die Sauerstoffkonzentration während der Fertigung (z.B. 400 ppm statt die Obergrenze von 1000 ppm). Ein gezieltes Einlassen von Sauerstoff zumindest bis zur Obergrenze ist also durchaus möglich. Es kann genau so viel Sauerstoff eingelassen werden, bis der Grenzwert wieder überschritten wird, also wieder im Aktionsbereich gemessen wird. Die Obergrenze hängt sehr stark von der Art der Fertigung und dem verwendeten Material ab. Beispielsweise ist bei manchen Prozessen statt 1000 ppm (0,1%) auch eine Obergrenze von nur 500 ppm (0,05%) gewünscht oder aber von 13000 ppm (1 ,3%). Die Mindestgrenze des stabilen Bereichs eines Sauerstoffsensors liegt jedoch so, dass auch Werte unterhalb der Obergrenze gemessen werden können. Es wird demnach so viel Sauerstoff in den Prozessraum eingebracht, dass der Sensor im stabilen Bereich misst, die Sauerstoffkonzentration jedoch unterhalb der für den jeweiligen Fertigungsprozess vorgegebenen Obergrenze liegt.
- Entfernen von gasförmigen Wasser und/oder Wasserstoff aus dem Prozessraum. Dies kann insbesondere durch eine Filtereinheit erfolgen, welche selektiv gasförmiges Wasser und/oder Wasserstoff adsorbiert.
- Senkung der Wassersensitivität und/oder der Wasserstoffsensitivität des Sensormoduls. Dies kann z.B. durch eine Änderung der Betriebsspannung erfolgen.
- Wechsel des Sensormoduls für weitere Messungen eines Sensorsignals. Es wird dabei ein anderer Sauerstoffsensor verwendet, sobald der Aktionsbereich verlassen wird. - Verwenden eines zweiten Sensors, welcher insbesondere an einer anderen Stelle angeordnet ist, zur Messung eines weiteren Sensorsignals, wobei der Vergleich bevorzugt zusätzlich auf dem weiteren Sensorsignal basiert, insbesondere auf einem Signalverhältnis von Sensorsignal und weiterem Sensorsignal. Es gibt zwei bevorzugte Arten des zweiten Sensormoduls. Die erste ist ein Sauerstoffsensor, der einfach eingekoppelt wird, wenn das erste Sensormodul nicht mehr zuverlässig misst. Die andere ist ein Feuchtigkeitssensor, der für einen prädiktiven Algorithmus verwendet werden kann.
- Änderung des Fertigungsmodus der Vorrichtung, insbesondere in Form einer Unterbrechung. Dies kann so lange erfolgen, bis der Aktionsbereich wieder erreicht ist.
- Änderung des Detektionsmodus des Sensors, insbesondere durch Anlegen einer anderen Spannung oder anderen Temperatur, insbesondere für eine Referenzmessung. Auch eine solche Referenzmessung mit dem Sensormodul bei einer geänderten Temperatur und/oder Spannung und vergleich des Verhaltens einer so erhaltenen Referenzkurve mit einer Messkurve aus Sensorsignalen kann eine Gegenmaßnahme darstellen, da dadurch außerhalb des Aktionsbereichs erkannt werden könnte, welche Gegenmaßnahmen wieder zu einer Rückkehr in den Aktionsbereich führen. Wenn man eine Einschätzung darüber hat, inwieweit das Sensorsignal von der realen Sauerstoffkonzentration abweicht, können gezielt weitere Gegenmaßnahmen durchgeführt werden.
- Umpolung der Elektroden des Sensormoduls. Durch die Umpolung kann ein „elektrisches Pumpen“ des Sensormoduls erreicht werden. Eine Umpolung führt jedoch auch zu einer Umkehrung einer Referenz-/Messprobe.
- Änderung eines Modus der Steuerung der Inertgaseinströmung, Dies kann neben der Stärke auch die Richtung oder die Gaszusammensetzung sein.
Bei einer Simulation der Messkurve des Sensorsignals wird versucht, aus den bisherigen zuverlässigen Messpunkten deren zukünftigen Verlauf zu interpolieren, sobald der Aktionsbereich verlassen wird, da ab diesem Punkt das Sensorsignal nicht mehr als zuverlässig betrachtet werden kann (zumindest wenn der Aktionsbereich den gesamten stabilen Bereich des Sensormoduls umfasst). Es kann alternativ oder zusätzlich „vorheriges Wissen“ bzw. eine Referenzmessung für eine Simulation verwendet werden. Für die Messkurve wird dazu basierend auf den bisher zuverlässigen Messpunkten und auf Messpunkten aus einer vorherigen Messung bzw. aus einer Referenzmessung deren zukünftiger Verlauf simuliert, sobald der Aktionsbereich verlassen wird. Des Weiteren kann alternativ oder zusätzlich ein prädiktiver Algorithmus zusammen mit einer Kopplung mit einem Feuchtigkeitssensor verwendet werden. In diesem Falle wird angenommen, dass Wasserstoff aus der Spaltung von Wasser generiert wird und dann mit Sauerstoff, der durch undichte Stellen eindringt, am Sensor reagiert, woraus letztlich das chemische Gewicht und dementsprechend die Signalunstabilitäten entstehen.
Gemäß einem bevorzugten Messverfahren bzw. bei einer bevorzugten Sensoranordnung wird mehrstufig gearbeitet. Dazu sind mehrere Aktionsbereiche mit mehreren (unterschiedlichen) Grenzwerten definiert und bei Passieren eines dieser Grenzwerte wird eine dem jeweiligen Grenzwert zugeordnete Gegenmaßnahme eingeleitet. Beispielsweise kann bei Passieren eines ersten Grenzwerts eine Luftströmung verstärkt werden und bei Passieren eines zweiten Grenzwerts eine Filtereinheit vor das Filtermodul bewegt werden und bei Passieren eines dritten Grenzwerts Sauerstoff in den Prozessraum eingeblasen werden.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass einem Erreichen eines instabilen Bereichs für das Sensormodul durch Gegenmaßnahmen entgegengewirkt werden kann. In diesem instabilen Bereich ist es nicht mehr möglich, einen zuverlässigen Messzustand herzustellen. Außerdem ist es auch schwierig, wieder in den Aktionsbereich des Sensormoduls zurückzukehren, da man sich nicht mehr auf die Sensorsignale verlassen kann und im Grunde im "Blindflug" in den Aktionsbereich zurückkehren müsste.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 2 ein Sensormodul gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 ein Beispiel für einen möglichen Verlauf eines Sensorsignals bei einem Abfall der Sauerstoffkonzentration, Figur 4 ein instabiles Messverhalten,
Figur 5 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer Filterung als Gegenmaßnahme,
Figur 6 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines bevorzugten Messverfahrens.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Lasersintervorrichtung“ 1 bezeichnet.
Eine solche Lasersintervorrichtung 1 ist schematisch in Figur 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann mit einem Laserstrahl AL als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11 , somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In Figur 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien. Die Erfindung wirkt sich dabei besonders vorteilhaft auf metallischen Aufbaumaterialien 13 aus.
Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Lasersintervorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung (Doppelpfeil) bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sogar sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler genutzt werden.
Zum selektiven Verfestigen weist die Lasersintervorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl EL, der zunächst einer Strahlformungseinrichtung 30 (als Eingangs- Energiestrahl EL bzw. Eingangs-Laserstrahl EL) zugeführt wird. Die Strahlformungseinrichtung 30 kann wie oben bereits beschrieben dazu genutzt werden, um die Intensitätsverteilung, d. h. das Intensitätsprofil, des Energiestrahls zu modifizieren, zum Beispiel auch, um ein Gaußprofil einem Top-Hat-Profil zu überlagern. Hierzu kann die Strahlformungseinrichtung 30 mit geeigneten Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD angesteuert werden. Eine bevorzugte Strahlformungseinrichtung 30 kann hierzu z. B. eingangsseitig zunächst einen Strahlteiler in Form eines Dünnschicht-Polarisators aufweisen, welcher den Eingangs-Laserstrahls EL in zwei linear polarisierte Teilstrahlen aufteilt. Jeder dieser linear polarisierten Teilstrahlen kann zu einem eigenen Strahlformungselement geleitet werden. Diese Strahlformungselemente sind für die eigentliche Strahlformung zuständig. Es kann sich hierbei z. B. um sogenannte passive DOEs, (DOE = Diffractive Optical Element) handeln, die reflektiv arbeiten und die Wellenfront des einfallenden Teilstrahls durch lokale Modulation von Phase und/oder Amplitude verändern. Ein Beispiel hierfür wären LCoS- Micro-Displays (LCoS = Liquid Crystal on Silicon), die mit den entsprechenden Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD angesteuert werden können, die von der noch nachfolgend beschriebenen Bestrahlungssteuerschnittstelle 53 der Steuereinrichtung 50 der Lasersintervorrichtung 1 geliefert werden können.
Über eine nachfolgende Umlenkvorrichtung 23 (Scanner 23) wird der optional von der Strahlformungseinrichtung modifizierte (Ausgangs-) Energiestrahl bzw. Laserstrahl AL dann umgelenkt, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Verfestigungsbahnen (d. h. Belichtungspfade oder Spuren) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. D. h. mittels des Scanners 23 wird die Auftrefffläche 22 des Energiestrahls AL auf dem Baufeld 8 bewegt, wobei sich der aktuelle Bewegungsvektor bzw. die Bewegungsrichtung (Scanrichtung) der Auftrefffläche 22 auf dem Baufeld 8 häufig und schnell ändern kann. Dabei wird dieser Laserstrahl AL durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb des Prozessraums 3, und der Laserstrahl AL wird über ein an der Oberseite des Prozessraums 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in den Prozessraum 3 geleitet.
Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Prozesskammer 3 eine optionale, vorzugsweise verfahrbare und/oder verstellbare Düse D angeordnet, welche dazu genutzt werden kann, lokal ein Gas oder eine Gasmischung in den Bereich der Auftrefffläche des Laserstrahls AL auf dem Baufeld 8 zuzuführen, um dadurch die Soll-Einschweißtiefe zu beeinflussen.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiterhin eine Detektoranordnung 18, welche dazu geeignet ist, eine während des Auftreffens des Laserstrahls AL auf das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene emittierte Prozessstrahlung zu erfassen. Diese Detektoranordnung 18 arbeitet dabei ortsaufgelöst, d. h. sie ist in der Lage, eine Art Emissionsbild der jeweiligen Schicht zu erfassen. Vorzugsweise wird als Detektoranordnung 18 ein Bildsensor bzw. eine Kamera 18 verwendet, welche im Bereich der emittierten Strahlung ausreichend sensitiv ist. Alternativ oder zusätzlich könnten auch ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung einer optischen und/oder thermischen Prozessstrahlung genutzt werden, z.B. Photodioden, die die von einem Schmelzbad unter auftreffendem Laserstrahl AL emittierte elektromagnetische Strahlung erfassen, oder Temperaturfühler zum Erfassen einer emittierten thermischen Strahlung (sogenanntes Meltpool-Monitoring). Eine Zuordnung des Signals eines selbst nicht ortsauflösenden Sensors zu den Koordinaten wäre möglich, indem die Koordinaten, die für die Ansteuerung des Laserstrahls genutzt werden, dem Sensorsignal jeweils zeitlich zugeordnet werden. In Figur 1 ist die Detektoranordnung 18 innerhalb der Prozesskammer 3 angeordnet. Sie könnte sich aber auch außerhalb der Prozesskammer 3 befinden und die Prozessstrahlung dann durch ein weiteres Fenster in der Prozesskammer 3 erfassen.
Die von der Detektoranordnung 18 erfassten Signale können als Prozessraum-Sensordatensatz bzw. Schichtbild SB hier an eine Steuereinrichtung 50 der Lasersintervorrichtung 1 übergeben werden, welche auch dazu dient, die verschiedenen Komponenten der Lasersintervorrichtung 1 zur gesamten Steuerung des additiven Fertigungsprozesses anzusteuern.
Hierzu umfasst die Steuereinrichtung 50 eine Steuereinheit 51 , welche über eine Bestrahlungssteuerschnittstelle 53 die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20 ansteuert, nämlich hier an den Laser 21 Lasersteuerdaten LS übersendet, an die Strahlformungseinrichtung 30 Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD, an die Umlenkvorrichtung 23 Scansteuerdaten SD und an die Fokussiervorrichtung 24 Fokussteuerdaten FS übersendet. Die Gesamtheit dieser Daten kann als Belichtungssteuerdaten BSD bezeichnet werden. Die Steuereinheit 51 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TSD die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke. Weiterhin steuert sie auch die Düse D mit Hilfe von Düsensteuerdaten DS.
Zusätzlich weist die Steuereinrichtung 50 hier eine Qualitätsdaten-Ermittlungseinrichtung 52 auf, die den Prozessraum-Sensordatensatz SB erhält und darauf basierend Qualitätsdaten QD ermittelt, die beispielsweise an die Steuereinheit 51 übergeben werden können, um regelnd in den additiven Fertigungsprozess eingreifen zu können.
Die Steuereinrichtung 50 ist, hier z. B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 61 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal kann ein Bediener die Steuereinrichtung 50 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z. B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PSD.
Die Vorrichtung 1 umfasst in diesem Beispiel eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9. In der rechten oberen Ecke des Prozessraumes 3 ist ein Sensormodul 90 angeordnet, welche die Sauerstoffkonzentration in dem Prozessraum 3 misst. Die Sensoranordnung 9 umfasst des Weiteren ein Steuermodul 95, welches dazu ausgelegt, ist anhand eines Vergleichs des Sensorsignals S oder einer von dem Sensorsignal S abgeleiteten Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert G zu bestimmen, ob das Sensormodul 90 außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs AB (s. Figur 3) misst und wenn dies der Fall ist, ein Steuersignal SL zu generieren, welches dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Gegenmaßnahme einzuleiten, die wiederum dazu bestimmt ist, die Bedingungen in der Vorrichtung 1 so zu ändern, dass das Sensormodul 90 wieder im Aktionsbereich AB misst (s. die Beschreibung des erfindungsgemäßen Messverfahrens gemäß Figur 6).
Die Sensoranordnung 9 umfasst in diesem Beispiel noch eine Regelvorrichtung 94, welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls 90 als Gegenmaßnahme zu regeln, so dass dort eine Ionisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigen Wasser und/oder Wasserstoff verringert wird. Dazu steht die Regelvorrichtung 94 mit dem Steuermodul 95 in Signalverbindung, so dass sie ein Steuersignal SL von dieser empfangen und mit diesem Steuersignal SL die Gegenmaßnahmen einleiten kann. Figur 2 zeigt ein Beispiel für ein Sensormodul 90 gemäß dem Stand der Technik wie es in einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 9 nach Figur 1 verwendet werden kann. Das Sensormodul 90 umfasst außen ein gasdurchlässiges Sensorgehäuse 90 (was hier auch mit den enthaltenen Komponenten das Sensormodul 90 repräsentiert), welches von einem Deckel 93 abgedeckt wird. An diesem Deckel 93 kann die Sensoranordnung 9 an der Kammerwandung 4 der Prozesskammer 3 angebracht werden. Durch ein Loch in der Kammerwandung 3 können Leitungen L des Sensormoduls 90 nach außen geführt werden. Es ist aber auch möglich, dass der Deckel 93 etwas länger ausgeführt und mit einem Gewinde versehen ist, so dass das Sensormodul 90 von außen durch ein Loch der Kammerwandung 4 gesteckt und dort eingeschraubt werden kann.
Innerhalb des Sensorgehäuses 90 sind die funktionalen Komponenten des Sensormoduls 90 angeordnet. Dies sind die Anode A und die Kathode K, welche von einem Festelektrolyt E, z.B. Zirkondioxid, getrennt werden und die Heizung H zum Aufheizen der Innenkammer 91 , in der die Kathode K angeordnet ist. Dieser funktionale Aufbau wird durch zwei Fixierelemente 92, z.B. Glaswolle, gehalten. Die Spannungen oder Ströme an den Elektroden A, K werden mittels der Leitungen L nach außen geführt, wo sie weiterverarbeitet werden können. Die Heizung H hat auch zwei Leitungen zur Energieversorgung, die jedoch der Übersicht halber nicht eingezeichnet sind.
Figur 3 zeigt ein Beispiel für einen möglichen Verlauf eines Sensorsignals S bei einem Abfall der Sauerstoffkonzentration. Links ist die Sauerstoffkonzentration O währen der Messzeit t angezeigt. Sie fällt konstant. Rechts ist das Sensorsignal S innerhalb der Messzeit t bei dieser Sauerstoffkonzentration O angezeigt. Wie man sieht, sinkt das Sensorsignal im Aktionsbereich AB streng monoton mit der sinkenden Sauerstoffkonzentration O, so dass eine genaue Zuordnung von Sensorsignal S und Sauerstoffkonzentration O möglich ist. Wenn aber die Sauerstoffkonzentration O eine gewisse Grenze unterschreitet (der Zeitpunkt ist gestrichelt angedeutet), so gerät der Sensor in einen instabilen Bereich, in dem das Sensorsignal S kein Maß mehr für die Sauerstoffkonzentration O darstellt (hier steigt das Signal wieder an). Das Minimum der Kurve kann als Grenzwert G festgelegt werden. Es ist aber in der Praxis bevorzugt, den Grenzwert G weiter oben anzusiedeln, damit man nicht in den instabilen Bereich IB gerät, da dieser je nach Konzentration von Feuchte und Wasserstoff auch schwanken kann.
Figur 4 zeigt ein instabiles Messverhalten, welches im instabilen Bereich auftreten kann und sehr nachteilhaft ist. Es ist hier nur sehr schwer möglich, den instabilen Bereich IB (s. Figur 3) wieder zu verlassen. Dargestellt ist hier die Sauerstoffkonzentration O (gestrichelt), das Sensorsignal S (durchgezogen) und ein Steuersignal SL (stichpunktiert). In dem hier dargestellten Fall, der nicht der Erfindung entspricht, wird alleine bei einem Überschreiten des Grenzwerts G durch das Sensorsignal S ein Trigger ausgelöst und der Trigger ausgeschaltet, wenn das Sensorsignal S wieder unter den Grenzwert G abgesunken ist. Die Sauerstoffkonzentration zeigt, dass man sich jedoch bereits im instabilen Bereich befindet. Nach Figur 3 kommt der Anstieg bei den Schwankungen gerade durch das Verhalten des Sensors im Instabilen Bereich zustande. Die immer stärker werdenden Schwanken sind durch die hier zugrundeliegende Steuerung nicht mehr aufzuhalten.
Dies kommt dadurch zustande, dass nicht geprüft wurde, ob man mit der gegebenen Grenzbedingung nicht prüft, ob man den Aktionsbereich AB (s. Figur 3) verlassen hat und dass die eingeleitete Gegenmaßnahme nicht dazu geeignet ist, in den Aktionsbereich zurückzukehren.
Figur 5 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 mit einer Filterung als Gegenmaßnahme. Die Sensoranordnung 9 ist in einer Rohrleitung R (als Gaskanal) angeordnet. Als Sensormodul 90 kann das in Figur 2 gezeigte Sensormodul 90 angenommen werden. Das Filterelement F ist hier in der Rohrleitung R angeordnet und Gas, welches durch die Rohrleitung R strömt (Pfeil) muss erst das Filterelement F passieren, bevor es auf das Sensormodul 90 trifft. Dadurch wird Wasser aus dem Gasstrom herausgefiltert, was dazu führt, dass der instabile Bereich zu einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration O verschoben wird, was in diesem Beispiel auch ein Verschieben des Grenzwerts G zu einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration O bedingt.
Das Filtermodul F ist aber nicht die ganze Zeit in der dargestellten Position. Erst wenn festgestellt wird, dass das Sensormodul 90 nicht mehr in einem Aktionsbereich AB misst (s. Figur 3), wird von dem Steuermodul 95 basierend auf dem Sensorsignal S ein Steuersignal SL generiert, welche dazu führt, dass das Filterelement F in die Rohrleitung R bewegt wird, was mit dem gestrichelten Pfeil dargestellt ist.
Es kann sogar eine zweistufige Gegenmaßnahme erfolgen. In einer ersten Stufe, bei der ein erster Grenzwert unterschritten wurde, wird einfach der Gasstrom erhöht (durchgezogener Pfeil), in einer zweiten Stufe, bei der ein weiterer Grenzwert unterschritten wurde, wird das Filterelement F in die Rohrleitung R bewegt. Figur 6 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines bevorzugten Messverfahrens mit einer Sensoranordnung 9 wie z.B. in den vorangehenden Figuren gezeigt sind in einer Vorrichtung 1 wie sie z.B. in Figur 1 gezeigt ist.
In Schritt I erreicht eine Gasprobe P in dem Prozessraum 3 der Vorrichtung 1 das Sensormodul und es wird ein Sensorsignal S durch das Sensormodul 90 der Sensoranordnung 9 generiert.
In Schritt II wird das Sensorsignals S mit einem vorgegebenen Grenzwert G verglichen und bestimmt, ob das Sensormodul 90 außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs AB misst. Dies ist in diesem Beispiel gegeben, wenn das Sensorsignal S kleiner ist als der Grenzwert G.
Wenn das Sensorsignal S größer ist als der Grenzwert G, dann wird die Messung ständig wiederholt.
In Schritt III hat der Vergleich ergeben, dass das Sensormodul 90 außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs AB misst (Sensorsignal S kleiner ist als der Grenzwert G). In diesem Fall wird ein Steuersignal SL erzeugt, mit dem eine vorbestimmte Gegenmaßnahme eingeleitet werden kann, hier z.B. ein Öffnen von Belüftungsventilen. Durch die Gegenmaßnahme werden die Bedingungen in der Vorrichtung 1 so geändert, dass das Sensormodul 90 wieder im Aktionsbereich AB misst.
Gestrichelt ist angedeutet, dass das Messverfahren danach weiter durchgeführt werden sollte.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedensterWeise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung
2 Bauteil / Objekt
3 Prozessraum / Prozesskammer
4 Kammerwandung
5 Behälter
6 Behälterwandung
7 Arbeitsebene
8 Baufeld
9 Sensoranordnung
10 Träger
11 Grundplatte
12 Bauplattform
13 Aufbaumaterial (im Behälter 5)
14 Vorratsbehälter
15 Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)
16 Beschichter
17 Strahlungsheizung
18 Sensoranordnung / Kamera
20 Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
21 Laser
22 Auftrefffläche (des Laserstrahls)
23 Umlenkvorrichtung / Scanner
24 Fokussiereinrichtung
25 Einkoppelfenster
30 Strahlformungseinrichtung
50 Steuereinrichtung
51 Steuereinheit
52 Qualitätsdaten-Ermittlungseinrichtung
53 Bestrahlungssteuerschnittstelle
60 Bus
61 Terminal
90 Sensormodul / Sensorgehäuse
91 Innenkammer
92 Fixierelement 93 Deckel
94 Regelvorrichtung
95 Steuermodul
A Anode
AB Aktionsbereich
AL (Ausgangs-)Energiestrahl / Laserstrahl
BSD Steuerdaten / Belichtungssteuerdaten
D Düse
DS Düsensteuerdaten
E Festelektrolyt
EL Eingangs-Energiestrahl / Laserstrahl
F Filterelement
FS Fokussteuerdaten
G Grenzwert
H Heizung
HS Heizungssteuerdaten
IB instabiler Bereich
K Kathode
LS Lasersteuerdaten
O Sauerstoffkonzentration
P Gasprobe
PSD Prozesssteuerdaten
QD Qualitätsdaten
R Rohrleitung
S Sensorsignal
SB Prozessraum-Sensordatensatz / Schichtbild
SD Scansteuerdaten
Sl Schichtinformationen
SL Steuersignal
SM Schraffur-Segment / Streifen
ST Beschichtungssteuerdaten
TSD Trägersteuerdaten
VSD Intensitätsverteilungssteuerdaten

Claims

32 Patentansprüche
1. Sensoranordnung (9) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Sensoranordnung (9) umfassend:
- ein Sensormodul (90), dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul (90) eindringenden Gasprobe (P) zu detektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal (S) zu generieren,
- ein Steuermodul (95), dazu ausgelegt, anhand eines Vergleichs des Sensorsignals (S) oder einer von dem Sensorsignal (S) abgeleiteten Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert (G) zu bestimmen, ob das Sensormodul (90) außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs misst und wenn dies der Fall ist, ein Steuersignal (SL) zu generieren, welches dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Gegenmaßnahme einzuleiten, die dazu bestimmt ist, die Bedingungen in der Vorrichtung (1) so zu ändern, dass das Sensormodul (90) wieder im Aktionsbereich (AB) misst.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , wobei das Steuermodul (95) dazu ausgelegt ist zu ermitteln,
- ob das Sensorsignal (S) über oder unter einem Grenzwert (G) liegt, der die Grenze des Aktionsbereichs (AB) charakterisiert,
- ob die vom Sensorsignal (S) abgeleitete Größe, bevorzugt die erste Ableitung nach der Zeit über oder unter dem Grenzwert (G) liegt,
- ob ein Maximum oder Minimum des Sensorsignals (S) als Grenzwert (G) überschritten wurde,
- ob das Sensorsignal (S) unter oder über einem ersten Grenzwert (G) liegt und die vom Sensorsignal (S) abgeleitete Größe, bevorzugt die erste Ableitung nach der Zeit, unter oder über einem zweiten Grenzwert (G) liegt, wobei der Vergleich bevorzugt zusätzlich basierend auf einer Anzahl von weiteren Messwerten erfolgt, insbesondere mit einer Anzahl von Messwerten der Gruppe gemessene Feuchte, ein weiteres Sensorsignal (S), gemessene Temperatur und gemessener Druck.
3. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorsignal (S) mathematisch oder durch eine Glättungseinheit geglättet wird, bevorzugt wobei das 33
Steuermodul (95) einen Zeitgeber umfasst, und der Vergleich des Sensorsignals (S) oder einer von dem Sensorsignal (S) abgeleiteten Größe mit dem vorgegebenen Grenzwert (G)
- basierend darauf durchgeführt wird, ob dieser Vergleich innerhalb einer vorbestimmten Glättungszeit dasselbe Ergebnis hat oder
- basierend auf einem über eine vorgegebene Integrationszeit integrierten Sensorsignal (S) durchgeführt wird oder
- basierend auf einem statistischen Mittelwert des Sensorsignals (S), der aus mehreren Sensorsignalen (S) über eine vorgegebene Messzeit erhalten wurde, durchgeführt wird, bevorzugt wobei ein gleitendes Zeitfenster verwendet wird.
4. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein selektives Filterelement (F), welches als Gegenmaßnahme zur Filterung der Gasprobe (P) verwendbar ist, das Filterelement (F) ausgelegt zum Filtern einer Gasprobe (P), so dass zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen und/oder Wasserstoffionen aus der Gasprobe (P) herausgefiltert werden, wobei das Filterelement (F) bevorzugt durch ein Adsorbermaterial, ein Molekülgitter oder durch eine Elektrode (A, K) des Sensormoduls (90) gebildet wird, wobei insbesondere das Elektrodenmaterial der Elektrode (A, K) so gewählt ist, dass die Umsetzung von gasförmigem Wasser zu Wasserstoffionen und Hydroxidionen und/oder die Umsetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff und/oder die Generierung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff und/oder die Adsorption von gasförmigem Wasser und/oder Wasserstoff gehemmt ist.
5. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Regelvorrichtung (94), welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls (90) zu regeln, insbesondere auf eine Weise, dass dort eine Ionisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigen Wasser gehemmt ist und bevorzugt vermieden wird, wobei die Spannung bevorzugt unter einen vorgegebenen Grenzwert gesenkt wird.
6. Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Vorrichtung (1) umfassend:
- eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial (13) auf das Baufeld (8), - eine Bestrahlungsvorrichtung (20), um zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten Aufbaumaterial (13) durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl (AL) selektiv zu verfestigen, sowie
- eine Sensoranordnung (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, umfassend Komponenten, die zur Einleitung von Gegenmaßnahmen verwendbar sind, wobei das Steuermodul (95) der Sensoranordnung (9) signaltechnisch mit der Vorrichtung (1) derart verbunden ist, dass diese Gegenmaßnahmen mit Komponenten der Vorrichtung (1) durch das Steuersignal (SL) des Steuermoduls (95) eingeleitet werden können, bevorzugt wobei eine Komponente zur Einleitung einer Gegenmaßnahme eine Gas- Strömungseinrichtung ist, ausgelegt zur Erzeugung eines Gasstroms im Prozessraum (3), bevorzugt wobei die Gas-Strömungseinrichtung ein Einlassventil und ein Auslassventil umfasst, wobei das Steuersignal (SL) so ausgestaltet ist, dass das Einlassventil und das Auslassventil geöffnet werden, bevorzugt wobei die Vorrichtung (1) einen Gaskanal (R) hinter dem Auslassventil umfasst und das Sensormodul (90) der Sensoranordnung (9) in diesem Gaskanal (R) so angeordnet ist, dass durch den Gaskanal (R) strömendes Gas als Gasprobe (P) für eine Messung dient.
8. Messverfahren mit einer Sensoranordnung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7 umfassend die Schritte:
- Generieren eines Sensorsignals (S) durch das Sensormodul (90) der Sensoranordnung (9),
- Vergleichen des Sensorsignals (S) oder einer von dem Sensorsignal (S) abgeleiteten Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert (G) und bestimmen, ob das Sensormodul (90) außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs (AB) misst,
- wenn der Vergleich ergibt, dass das Sensormodul (90) außerhalb eines vorbestimmten Aktionsbereichs (AB) misst: Einleiten einer vorbestimmten Gegenmaßnahme, die dazu bestimmt ist, die Bedingungen in der Vorrichtung (1) so zu ändern, dass das Sensormodul (90) wieder im Aktionsbereich (AB) misst, wobei bevorzugt ein Steuersignal (SL) erzeugt wird, mit dem die Gegenmaßnahme eingeleitet werden kann.
9. Messverfahren nach Anspruch 8, wobei im Rahmen des Vergleichs des Sensorsignals (S) oder einer von dem Sensorsignal (S) abgeleiteten Größe mit dem vorgegebenen Grenzwert (G) ermittelt wird, - ob das Sensorsignal (S) über oder unter einem Grenzwert (G) liegt, der die Grenze des Aktionsbereichs (AB) charakterisiert,
- ob die vom Sensorsignal (S) abgeleitete Größe, bevorzugt die erste Ableitung nach der Zeit über oder unter dem Grenzwert (G) liegt,
- ob ein Maximum oder Minimum des Sensorsignals (S) als Grenzwert (G) überschritten wurde,
- ob das Sensorsignal (S) unter oder über einem ersten Grenzwert (G) liegt und die vom Sensorsignal (S) abgeleitete Größe, bevorzugt die erste Ableitung nach der Zeit, unter oder über einem zweiten Grenzwert (G) liegt, wobei der Vergleich bevorzugt zusätzlich basierend auf einer Anzahl von weiteren Messwerten erfolgt, insbesondere mit einer Anzahl von Messwerten der Gruppe gemessene Feuchte, ein weiteres Sensorsignal (S), gemessene Temperatur und gemessener Druck.
10. Messverfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, insbesondere nach Anspruch 9, wobei
- der Grenzwert (G) und der vorbestimmte Aktionsbereich (AB) ermittelt wird und geprüft wird, ob das Sensormodul (90) innerhalb des Aktionsbereichs (AB) misst, und/oder
- aus mehreren Sensorsignalen (S) zu unterschiedlichen Zeiten eine Messkurve generiert wird und ein lokales Maximum oder Minimum der Messkurve ermittelt wird und dies als Maß dafür genommen wird, ob das Sensorsignal (S) jenseits des Grenzwerts (G) liegt und/oder
- als Grenzwert (G) ein maximaler oder minimaler Wert für eine Standardabweichung des Sensorsignals (S) vorgegeben ist
- geprüft wird, welcher Fertigungsprozess ausgewählt wurde, und der Grenzwert (G) und damit der Aktionsbereich (AB) in Abhängigkeit zu diesem Fertigungsprozess bestimmt wird, insbesondere basierend auf einer gesamten Belichtungszeit pro Schicht und/oder einer Menge des verwendeten Aufbaumaterials (13).
11. Messverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei für eine Referenzmessung der Sauerstoff-Partialdruck im Sensormodul (90) bis zu einer vorgegebenen minimalen Dichte vermindert wird, bevorzugt durch Pumpen mit einer Spannung oder einen Sauerstoffadsorber oder ein gezieltes Spülen eines Probegases.
12. Messverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei eine Referenzmessung mit dem Sensormodul (90) bei anderen Voreinstellungen als bei der Generierung des 36
Sensorsignals (S) durchgeführt wird, insbesondere bei einer anderen Betriebsspannung, wobei die anderen Voreinstellungen so gewählt sind, dass ein auf Wasserstoff und/oder gasförmigem Wasser basierendes Signal unterdrückt ist und basierend auf einem aus dieser Referenzmessung erhaltenen Referenzsignal und dem Sensorsignal (S) ein Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff und/oder gasförmigem Wasser ermittelt wird, bevorzugt wobei basierend auf dem ermittelten Verhältnis eine Korrektur des Sensorsignals (S) durchgeführt wird.
13. Messverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei als Gegenmaßnahme eine oder mehrere Maßnahmen der Gruppe
- Steigerung der Leistung einer Pumpe der Vorrichtung, insbesondere eine Pumpe zum Einlassen eines Schutzgases oder Inertgases,
- Öffnen eines Ventils der Vorrichtung (1), bevorzugt ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil,
- Simulation eines Sensorsignals (S),
- Einbringen von Sauerstoff in den Prozessraum (3),
- Entfernen von gasförmigen Wasser und/oder Wasserstoff aus dem Prozessraum (3), insbesondere durch eine Filtereinheit (F),
- Senkung der Wassersensitivität und/oder der Wasserstoffsensitivität des Sensormoduls (90),
- Wechsel des Sensormoduls (90) für weitere Messungen eines Sensorsignals (S),
- Verwenden eines zweiten Sensormoduls, welcher an einer anderen Stelle angeordnet ist, zur Messung eines weiteren Sensorsignals, wobei der Vergleich bevorzugt zusätzlich auf dem weiteren Sensorsignal basiert, insbesondere auf einem Signalverhältnis von Sensorsignal (S) und weiterem Sensorsignal,
- Änderung des Fertigungsmodus der Vorrichtung (1), insbesondere in Form einer Unterbrechung,
- Änderung des Detektionsmodus des Sensormoduls (90), insbesondere durch Anlegen einer anderen Spannung oder anderen Temperatur oder einer Umpolung der Elektroden, insbesondere im Rahmen einer Referenzmessung,
- Umpolung der Elektroden des Sensormoduls (90),
- Änderung eines Modus der Steuerung der Inertgaseinströmung, ausgewählt wird.
14. Messverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei mehrere Aktionsbereiche (AB) mit jeweils einem Grenzwert (G) definiert sind, und wobei bei Passieren eines dieser 37
Grenzwerte (G) eine dem jeweiligen Grenzwert (G) zugeordnete Gegenmaßnahme eingeleitet wird.
EP22789496.1A 2021-09-21 2022-09-13 Sensoranordnung für eine vorrichtung zur additiven fertigung, sowie vorrichtung dazu und messverfahren basierend darauf Pending EP4405124A1 (de)

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