EP4522367A1 - Kalibrierungssystem für einen energiestrahl einer additiven fertigungsvorrichtung - Google Patents

Kalibrierungssystem für einen energiestrahl einer additiven fertigungsvorrichtung

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Publication number
EP4522367A1
EP4522367A1 EP23724764.8A EP23724764A EP4522367A1 EP 4522367 A1 EP4522367 A1 EP 4522367A1 EP 23724764 A EP23724764 A EP 23724764A EP 4522367 A1 EP4522367 A1 EP 4522367A1
Authority
EP
European Patent Office
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calibration
additive manufacturing
cavity
energy beam
gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP23724764.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Paternoster
Hans Perret
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
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Filing date
Publication date
Application filed by EOS GmbH filed Critical EOS GmbH
Publication of EP4522367A1 publication Critical patent/EP4522367A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a calibration system and a method as well as a use of a calibration aid for calibrating an energy beam.
  • additive manufacturing processes are those manufacturing processes in which a manufactured product or component is built by adding material, usually on the basis of digital 3D design data. The structure is usually carried out by applying a building material in layers and selectively solidifying it.
  • 3D printing is often used as a synonym for additive manufacturing; the production of models, samples and prototypes using additive manufacturing processes is often referred to as “rapid prototyping”, the production of tools as “rapid tooling” and manufacturing - production of series products is referred to as “direct manufacturing”.
  • the selective solidification of the building material often takes place by repeatedly applying thin layers of the mostly powdery building material one on top of the other and using spatially limited irradiation using an energy beam, e.g. B. by means of light and / or heat and / or particle radiation, are solidified at the points that should belong to the manufactured product after production.
  • An example of a process that works with irradiation is “Laser Powder Bed Fusion” or “Selective Laser Melting”.
  • the powder grains of the building material are partially or completely melted with the help of the energy introduced locally at this point by the radiation. After cooling, these powder grains are then bonded together in the form of a solid.
  • a process gas During such production it is often necessary for a process gas to be passed through the process chamber for inerting, cooling or removal purposes (in particular with a fan). This means that the additive manufacturing process takes place under a process gas atmosphere whose properties differ - if necessary, significantly - from the normal ambient atmosphere. For example, the process gas atmosphere can have a lower humidity content than the normal ambient atmosphere.
  • a measuring instrument is inserted into the beam path, which records measured values for certain beam properties of the energy beam.
  • the entire process chamber has usually been flooded with the process gas for calibration. This is particularly time-consuming if several calibration steps have to be carried out and/or the process chamber must first be brought back to a normal ambient atmosphere in order to be opened safely.
  • the initially mentioned calibration system for an energy beam of an additive manufacturing device comprises an additive manufacturing device with a beam entry for the energy beam. It also includes a gas supply for providing a gas suitable for calibration, a measuring unit for detecting a beam property of the energy beam and a calibration aid with a cavity and an inflow opening for introducing the gas into the cavity.
  • the calibration aid is arranged in the additive manufacturing device in such a way that the energy beam is enclosed by the cavity from the beam entry to the measuring unit, and the gas is flowed into the cavity for calibration.
  • the energy beam is basically any energy beam that is suitable for selective melting or sintering of a corresponding material for additive manufacturing.
  • the energy beam is generated using a laser, preferably using a CO laser.
  • a CO laser can also be a CO2 laser, a diode laser, in particular a diode laser with a 4-7pm wavelength, an Nd:YAG laser, an electron beam or the like.
  • the energy beam enters the process chamber or the installation space of the additive manufacturing device via the - at least one - beam entry.
  • the jet entry can be designed in a simple manner as an opening or breakthrough into the process chamber.
  • the process chamber is preferably gas-tight from other areas of the additive manufacturing device, such as. B. an optical chamber for the optical elements for adjusting the energy beam.
  • the beam entry is therefore designed, for example, as a coupling window that is transparent to the energy beam.
  • the gas suitable for calibration is determined depending on the energy beam, i.e. H. chosen depending on the type of energy beam. It has at least similar optical properties to the process gas.
  • dry air or nitrogen as the energy beam is preferably suitable as the gas for calibration.
  • the gas is z. B. provided by means of a gas bottle, by means of a separate in-house gas supply or preferably by means of the gas supply of the additive manufacturing device.
  • the cavity of the calibration aid is enclosed by a hollow body.
  • the hollow body can essentially be formed by corresponding elements of the calibration aid.
  • the hollow body is created through the interaction of elements of the calibration aid with elements of the additive manufacturing device, such as. B. a wall of the process chamber and / or the coupling window or beam entry.
  • elements of the additive manufacturing device such as. B. a wall of the process chamber and / or the coupling window or beam entry.
  • the gas flows or is introduced into the cavity of the calibration aid through the inflow opening.
  • the inflow opening is fluid, e.g. B. connected to the gas supply by means of a hose or similar.
  • the measuring unit is designed depending on the beam properties of the energy beam to be detected. If, for example, the performance of the Energy beam is measured or recorded as a beam property, the measuring unit is designed as a power meter. It is arranged adjacent to the calibration aid and is preferably attached to it in such a way that the energy beam hits a measuring area of the measuring unit.
  • the calibration aid is therefore preferably an additional unit that can be easily separated from the additive manufacturing device or removed from the process chamber and is introduced into the process chamber solely for the purpose of calibrating the energy beam.
  • the initially mentioned method for calibrating an energy beam of an additive manufacturing device which includes a beam inlet, has at least the following steps:
  • a calibration aid is provided which has a cavity and an inflow opening for introducing a gas suitable for the calibration includes.
  • the calibration aid is introduced into the additive manufacturing device so that the energy beam is largely surrounded by the cavity from the beam entry to a measuring unit.
  • the cavity of the calibration aid is supplied with the gas in a further step.
  • the beam path is calibrated in a subsequent step.
  • the measuring unit records a beam property of the energy beam.
  • the method therefore essentially comprises the functionally designed features of the previously described calibration system.
  • the calibration aid and the measuring unit are preferably removed from the process chamber in order to be able to carry out additive manufacturing processes using the additive manufacturing device.
  • a calibration aid is used according to the invention to calibrate an energy beam of an additive manufacturing device.
  • the calibration aid is introduced with its cavity into the additive manufacturing device so that the energy beam is enclosed in the cavity from the beam entry to a measuring unit.
  • the cavity of the calibration aid is supplied with a gas suitable for the calibration and a beam characteristic of the energy beam is recorded using the measuring unit.
  • the use of the calibration aid according to the invention in the process chamber of an additive manufacturing device reduces tung, therefore advantageously the volume that must be flowed or flooded with the gas suitable for the calibration for the calibration of the energy beam. This particularly reduces the time required for calibration. This is particularly the case if several calibration steps and thus several floodings are necessary after new, adjusted settings of the energy beam.
  • the gas suitable for calibration is hereinafter referred to as “gas”.
  • the gas is passed into the cavity in such a way that a relative humidity in the cavity is kept below 5%, particularly preferably below 4%, very particularly preferably below 3% during calibration.
  • the relative humidity is relevant, for example, for the beam properties of a CO laser or a diode laser with a wavelength of 4-7pm. Since the relative humidity in an additive manufacturing process is similarly low to the preferred humidity values, it is advantageous to calibrate the energy beam under these conditions as well.
  • a temperature of the gas during calibration is at least 10°C and/or at most 50°C.
  • the cavity of the calibration system i.e. the volume between the beam entry, the calibration aid and the measuring instrument, does not have to be sealed gas-tight. It preferably has, for. B. at the connection points between the individual elements, there are small gaps through which the gas can flow out.
  • the gas composition of the ambient atmosphere is advantageously displaced from the cavity, particularly when the cavity is first flooded with the gas.
  • the gas is preferably provided by means of the gas supply to the additive manufacturing device. This is advantageous because the same gas is used directly as in the manufacturing process and essentially the same optical conditions prevail as in the process gas atmosphere.
  • the gas is introduced into the cavity preferably via a separate connection or inlet in the process chamber.
  • This means that an additional gas connection or gas inlet for calibration is preferably arranged in the process chamber.
  • the one or more existing gas inlets in the process chamber which serve for relatively large-volume inerting and/or cleaning of the process chamber volume from impurities in the process gas, are therefore preferably not used for the calibration.
  • the inlets for the manufacturing process therefore do not have to be adjusted.
  • the separate connection for calibration can preferably be controlled or regulated independently of the other inlets.
  • the aforementioned relative humidity values in the cavity can also be achieved, for example, by means of the volume flow of the gas for calibration that can be regulated in this way.
  • a number of existing gas inlets into the process chamber are used to provide the gas suitable for calibration.
  • the gas is particularly preferably provided by means of a flow device of the additive manufacturing device that is assigned to a number of jet inlets.
  • the inflow device or blow-out device is used for directed flow at least one beam entry or laser window or coupling window.
  • the inflow device is activated and controlled or controlled separately, while other devices for global flooding/flow of process gas/inert gas into the process chamber can be deactivated at the same time.
  • the inflow device supplies the inflow opening of the calibration aid with the gas suitable for the calibration.
  • the cavity of the calibration aid can be docked in the intended position to a process chamber-side opening (gas inlet) of the inflow device and, during calibration, direct the gas into the area between the jet inlet or coupling window and the measuring unit.
  • a relative gas tightness can e.g. B. through a design that is complementary in some areas to the geometry of the ceiling wall can be achieved using the calibration aid. This means that the calibration aid closes essentially gas-tight due to its shape - e.g. B. through appropriate positioning and manufacturing accuracy and/or using additional seals - on the wall or ceiling wall of the process chamber.
  • the calibration aid preferably forms the cavity in a proper position in cooperation with a process chamber wall of the additive manufacturing device.
  • the inflow opening of the calibration aid is particularly preferably in contact with a gas outlet opening of the inflow device and is fluidly connected to it.
  • the cavity therefore serves as a gas guide or as a gas channel and can z. B. be realized by recesses or a design of the calibration aid, which in the intended position includes surfaces spaced apart from the process chamber wall in some areas.
  • the calibration aid according to the invention can use the measuring unit to form the cavity or a gap or channel through which flow flows.
  • the cavity formed in this way can have an outflow opening which, in normal operation, is the only opening of the calibration aid that allows the inflowing gas to escape into the interior of the process chamber.
  • the cavity preferably has a variable height.
  • the distance between the beam entry and the measuring unit can be adjusted or adjusted by means of the cavity, in particular by means of the elements that form the hollow body.
  • This allows, for example, the beam properties of the energy beam to be calibrated at different height positions on the production level or the construction area.
  • the cavity is preferably designed to be stretchable.
  • the cavity ie in particular the hollow body, can particularly preferably be made of an elastic material, in particular as a tube. Alternatively or additionally, it can particularly preferably be designed as a bellows or similarly stretchable element.
  • At least the hollow body preferably has correspondingly stretchable areas. This configuration allows the height position of the measuring unit to be varied, but also the position within the production plane perpendicular to the height.
  • the cavity or the hollow body can particularly preferably be designed as an elastic tent or as a tent in the form of a bellows. He can e.g. B. have a pyramid shape or cone shape. In contrast to a substantially linear or tubular configuration of the hollow body, a tent-like, pyramid-shaped or conical configuration makes it possible to carry out calibration measurements over the entire construction area without repositioning the calibration aid.
  • the cavity or the hollow body is alternatively or additionally preferably designed to be extendable. I.e. it has at least one pull-out part or an extension. It can also include rigid components.
  • the pull-out can be, for example, a telescopic pull-out.
  • the calibration aid preferably has a joint on at least one, particularly preferably on each, end of the hollow body.
  • a simple swivel joint or a combination of several joints can serve as the joint.
  • the joint can e.g. B. can also be designed like a bellows.
  • the joint is particularly preferably designed as a ball joint.
  • the calibration aid is preferably designed to be self-holding. This means that it is preferably designed in such a way that it maintains a height and/or joint position that has been set.
  • the calibration aid is therefore particularly preferably designed to be self-retaining. forms that it remains fixed in position and/or dimensionally in the additive manufacturing device.
  • the frictional resistance can be generated by a relatively small amount of play and/or corresponding surface properties, in particular by a suitable surface roughness, of the elements.
  • the frictional resistance is preferably easy to overcome with manual adjustment, but is sufficient for the individual elements to maintain their relative position or arrangement without external influence.
  • the calibration system preferably has fastening means for attaching the calibration aid to the additive manufacturing device.
  • the fastening means are arranged, for example, on the calibration aid or the additive manufacturing device. They are preferably designed as complementary elements that form a positive fit and/or friction fit.
  • the calibration aid can be implemented, for example, using clamping screws or a clip closure, in particular using manually detachable, form-fitting locking lugs, other form-fitting elements and/or the like.
  • the calibration aid is preferably attached in the area of the beam entry into the process chamber or coupling window for the energy beam.
  • the calibration aid preferably extends in the additive manufacturing device over a partial or complete distance between a production level or the construction field and a beam entry of the additive manufacturing device.
  • This means that the calibration aid is e.g. B. attached to the coupling window, as described above, but from there it does not extend completely to the production level, but rather holds the measuring unit - floating, so to speak - in a position between the production level and the beam entry.
  • the hollow body of the calibration aid preferably completely encloses the energy beam from the moment the energy beam passes through the beam entry or the coupling window until it hits the measuring unit.
  • the volume enclosed by the hollow body i.e. the cavity, is preferably smaller than the volume of the process chamber, in particular smaller than a third, more preferably smaller than a quarter, even more preferably smaller than a tenth, particularly preferably smaller than one Fiftieth, very particularly preferably smaller than one hundredth of the volume of the process chamber.
  • the ratio and the resulting savings effect continue to improve as the size of the installation space increases. Accordingly, the time required according to the invention for flooding the volume for calibration is advantageously shorter.
  • the calibration aid and/or the measuring unit are preferably removable from the process chamber and are removed from the process chamber before an additive manufacturing process. This means that before the additive manufacturing device is put into operation or after a previous additive manufacturing process, a method according to the invention for calibration is preferably carried out, then the calibration aid and/or the measuring unit is preferably removed from the process chamber, and then a new, subsequent additive manufacturing process is carried out .
  • the flow through the process chamber is particularly preferred, e.g. B. can be provided by a circulation system for supplying and returning process gas, possibly with filtering of contaminated process gas, deactivated during calibration with the calibration system according to the invention. This advantageously saves process gas or the energy required to circulate the process gas.
  • the property of the energy beam that is recorded for calibration preferably includes a beam power, an intensity distribution, a focus position, a focus geometry and/or a response behavior of the energy beam.
  • properties of an energy beam deflection device e.g. a galvanometer scanner
  • a typical power meter is used.
  • the laser power is preferably measured not at the focal point or focus, but outside the focus, since the intensity in the focus may be too high at certain points.
  • the power meter is simply placed on the production level or a construction platform.
  • the offset to the focal point created in this way is sufficient for power measurement because the power meter can still record the entire power without the intensity being too great in one point.
  • the focus position indicates the position of the focus in three-dimensional space in relation to the additive manufacturing device, ie in particular a height above the manufacturing level or a distance to the beam entry as well as a two-dimensional position in a plane parallel to the manufacturing level.
  • the focus geometry indicates whether the focus is circular, elliptical, in particular with information about the main axes, or shaped differently.
  • the focus position and the focus geometry can be determined, for example, using a focus monitor as a measuring unit. This can e.g. B. can be implemented in a simple manner using a power meter with an upstream pinhole (point-shaped pinhole).
  • the response behavior of the energy beam describes a reaction delay or power curve when switching on, switching off or when the power requirement changes.
  • Thermal paper for example, can serve as a measuring unit for the response behavior. After the calibration measurements, the corresponding response characteristics can be determined.
  • FIG. 1 shows a schematic, partially sectioned view of an additive manufacturing device for the additive manufacturing of a three-dimensional object
  • FIG. 2 shows a schematic, partially sectioned view of an exemplary embodiment of a calibration system according to the invention for an energy beam of an additive manufacturing device
  • FIG. 3 shows a schematic, sectional detailed view of a further exemplary embodiment of a calibration system according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic, sectional detailed view of the calibration system from Figure 2, 5 shows a schematic perspective detailed view of a further exemplary embodiment of a calibration system according to the invention,
  • Figure 6 is a sectional view of the calibration system from Figure 5
  • Figure 7 is a perspective detailed view of the calibration aid from Figure 5 with a measuring unit
  • FIG. 8 shows a flowchart shown in a block diagram of an exemplary embodiment of a method according to the invention for calibrating an energy beam of an additive manufacturing device.
  • the manufacturing device 1 shown schematically and partially in section in FIG. 1, is a selectively acting laser melting device 1.
  • the manufacturing device In order to build an object 2, it contains a process chamber 3 with a chamber wall 4.
  • An upwardly open container 5 with a container wall 6 is arranged in the process chamber 3.
  • a production level 7 is defined through the upper opening of the container 5, with the area of the production level 7 located within the opening, which can be used to build the object 2, being referred to as the construction area 8.
  • the process chamber 3 includes a process gas supply 31 assigned to the process chamber 3 and a process gas outlet 32.
  • a carrier 10 Arranged in the container 5 is a carrier 10 that can be moved in a vertical direction V and to which a base plate 11 is attached, which closes off the container 5 at the bottom and thus forms its bottom.
  • the base plate 11 may be a plate formed separately from the carrier 10 and fixed to the carrier 10, or it may be formed integrally with the carrier 10.
  • a construction platform 12 can also be attached to the base plate 11 as a construction base on which the object 2 is built.
  • the object 2 can also be built on the base plate 11 itself, which then serves as a construction base.
  • the object 2 to be formed in the container 5 on the construction platform 12 is shown below the working plane 7 in an intermediate state with several solidified layers, surrounded by building material 13 that remains unsolidified.
  • the laser melting device 1 further contains a storage container 14 for a powdery building material 15 that can be solidified by electromagnetic radiation and a coater 16 movable in a horizontal direction H for applying the stored building material 15 within the construction area 8.
  • the coater 16 preferably extends transverse to its direction of movement over the entire area to be coated.
  • the laser melting device 1 further comprises an exposure device 20 with a laser 21, preferably a CO laser, which generates a laser beam 22, which is deflected via a deflection device 23 and through a focusing device 24 via a beam entry 25 or a coupling window 25, which is on the top the process chamber 3 is mounted in the chamber wall 4, is focused on the working plane 7.
  • a laser 21 preferably a CO laser
  • the laser melting device 1 further contains a control unit 29, via which the individual components of the laser melting device 1 are controlled in a coordinated manner to carry out the construction process.
  • the control unit 29 can also be attached partially or completely outside the laser melting device 1.
  • the control unit may contain a CPU, the operation of which is controlled by a computer program (software).
  • the computer program can be stored separately from the laser melting device 1 on a storage medium, from which it can be loaded into the laser melting device 1, in particular into the control unit 29.
  • a powdery material is preferably used as the building material 15, which can be, for example, a metal-containing or metal-based building material, but is preferably a polymer-containing, particularly preferably a polymer-based (> 50 wt.% polymer content) building material.
  • the carrier 10 is first lowered by a height that corresponds to the desired layer thickness.
  • the coater 16 first moves to the storage container 14 and takes from it a sufficient amount of the building material 15 to apply a layer. He then moves over the construction field 8, applies powdery building material 15 to the building base 12 or a previously existing powder layer and draws it out into a powder layer.
  • the application takes place at least over the entire cross section of the object 2 to be produced, preferably over the entire construction area 8, i.e. the area delimited by the container wall 6. th area.
  • the powdery building material 15 is heated to a working temperature using radiant heating.
  • the cross section of the object 2 to be produced is then scanned by the laser beam 22, so that the powdery building material 15 is solidified at the points that correspond to the cross section of the object 2 to be produced.
  • the powder grains are partially or completely melted at these points by means of the energy introduced by the radiation, so that after they have cooled down they are present together as solid bodies. These steps are repeated until the object 2 is completed and can be removed from the process chamber 3.
  • FIG. 2 shows a schematic, partially sectioned view of an exemplary embodiment of a calibration system 100 according to the invention for an energy beam 22, in particular the beam of a CO laser, of an additive manufacturing device 1.
  • the additive manufacturing device 1 corresponds to the additive manufacturing device 1 from Fig. 1. However, for a better illustration of the calibration system 100, some elements of the additive manufacturing device 1 are not shown here.
  • the carrier 10 and the base plate 11 are arranged here in a starting position adjacent to the production level 7 or the construction area 8.
  • the calibration system 100 includes a calibration aid 60 and a measuring unit 35.
  • the measuring unit 35 is designed here as a power meter 35 for measuring the laser power as a beam property and is positioned standing in the beam path of the laser beam 22 on the production level 7.
  • the beam path of the laser 22 within the process chamber 3 is enclosed by the calibration aid 60 from the coupling window 25 to the power meter 35.
  • the calibration aid 60 has an inflow opening 61, which here, in a simple example, is fluidly connected to the process gas supply 31 by means of a hose 26 and a plug 27.
  • process gas in particular nitrogen, as illustrated by the arrows.
  • the process gas penetrates through small gaps between the elements of the calibration aid 60 and thereby displaces the gas composition of the surrounding atmosphere from the calibration aid 60. Since the process gas for the manufacturing process and for the calibration process is identical, it is suitable for calibration gas, as it has the same optical properties has shafts.
  • the inflowing gas for example, achieves a relative humidity of less than 3% in the cavity of the calibration aid, whereby the humidity has an influence on the calibration and the beam properties, particularly with CO lasers.
  • the calibration aid 60 is described in detail with reference to FIG. 4.
  • Figure 3 shows schematically and in section a detailed view of a further exemplary embodiment of a calibration system 100 'according to the invention.
  • the additive manufacturing device 1 which separates the irradiation device 20 or the optical chamber in a gas-tight manner from the process chamber 3 by means of a circumferential seal 34 ( see also Fig. 1).
  • the calibration aid 40 comprises an upper part 42 and a lower part 43.
  • the upper part 42 and the lower part 43 are essentially cylindrical in shape and arranged concentrically, so that together they form a hollow body with a cavity 54.
  • An external dimension of the lower part 43 is dimensioned in relation to an internal dimension of the upper part 42 so that they can be moved telescopically relative to one another. This allows the height of the calibration aid, i.e. H. the distance from the free end of the upper part 42 to the free end of the lower part 43 can be varied or adjusted.
  • the upper part 42 and the lower part 43 are preferably dimensioned so that they form a frictional connection without manual force, which automatically holds the lower part 42 and other components attached thereto.
  • An upper receptacle 44 is formed at the free end of the upper part 42.
  • the top of the chamber wall 4 has a ledge 33 in the area around the coupling window 25.
  • the ledge 33 is essentially enclosed by the upper receptacle 44 of the calibration aid 40 with a precise fit, i.e. only with a small gap.
  • the ledge 33 and the upper receptacle 44 thus have complementary shapes. They can, for example, be arranged concentrically, circularly or squarely around the coupling window 25.
  • the upper receptacle 44 is preferably manufactured with such a precise fit that a frictional connection with the ledge 33 is created. This creates a simple plug connection.
  • the upper receptacle 44 can also be connected to the ledge 33 in a non-positive and/or form-fitting manner using fastening means such as clamping screws and/or a clip fastener.
  • the upper part 42 also has an inflow opening 41, which z. B. can be fluidically connected to the gas supply, in particular the process gas supply 31, using a hose 26 (see FIG. 2).
  • the inflow opening 41 is preferably arranged closer to or adjacent to the free end of the upper part 42.
  • a lower receptacle 45 is formed at the free end of the lower part 42.
  • the lower receptacle 45 is made to fit precisely to a holder 46 for the measuring unit 35 and encloses its opening facing the coupling window 25.
  • “perfect fit” preferably means that a frictional connection is created between the lower receptacle 45 and the holder 46, so that a simple plug-in connection is formed.
  • the fasteners specified above can be used.
  • the calibration aid 40 is therefore preferably designed in such a way that it automatically maintains a height that has been set once and thus also holds the measuring unit 35 in its holder 46 while hanging on the ledge 33. There are only small gaps between the elements of the calibration aid 40 and the connection points with the ledge 33 and the holder 46, through which only a small amount of the gas suitable for calibration and introduced through the inflow opening 41 can escape. After initial flooding, the cavity 54 is filled with the gas suitable for calibration and is easily flowed through, so that gases from the surrounding atmosphere do not penetrate the calibration aid 40.
  • the laser beam 22 can be used essentially under the same conditions, i.e. H. be calibrated with the same optical properties under which a subsequent additive manufacturing process is carried out.
  • the plug connections of the calibration aid 40 (and, if applicable, its fastening means) with the ledge 33 and with the holder 46 can be released and the calibration aid 40 can be removed from the process chamber 3.
  • the calibration aid 40 can be used, for example. B. can be pushed together using the telescopic height adjustment between its upper part 42 and its lower part 43.
  • a schematic sectional view of the calibration system from FIG. 2 is shown in detail in FIG.
  • the calibration aid 60 shown here is similar to the calibration aid 40 from FIG. 3. In contrast, however, the calibration aid 60 has two ball joints 68, 69, 70, 71, 72, 73.
  • An upper ball joint 68, 69, 70 is formed between the upper receptacle 64 and the upper part 62. It includes a central dome 68, an outer dome 69 and an inner dome 70, which are arranged concentrically.
  • the caps 68, 69, 70 are shaped as a spherical cap or as a layer of a spherical cap and have radii that increase from the inside to the outside in relation to one another.
  • the outer dome 69 and the inner dome 70 are formed on the upper receptacle 64.
  • the middle dome 68 is formed on the upper part 62.
  • the outer dome 69 and the inner dome 70 In comparison to the outer dome 69 and the inner dome 70, it is shaped as a spherical layer that is closer to the pole of the sphere and thus partially engages between the outer dome 69 and the inner dome 70.
  • the upper part 62 is thus mounted movably or rotatably in relation to the upper receptacle 64 about the common center of the spherical caps 68, 69, 70.
  • the production of such a rotary bearing 68, 69, 70 composed of interlocking spherical caps 68, 69, 70 is possible, for example, using additive manufacturing.
  • a lower ball joint 71, 72, 73 is formed between the lower receptacle 65 and the lower part 63 in the same way as the upper ball joint 68, 69, 70.
  • a central dome 71 arranged on the lower part 63 engages between an inner dome 73 and an outer dome 72, both of which are formed on the lower receptacle 65.
  • the two ball joints 68, 69, 70, 71, 72, 73 are preferably designed to be self-retaining, like the telescopic connection between the upper part 62 and the lower part 63, due to the frictional resistance existing between them.
  • the measuring unit 35 can be positioned at an offset D to a position on a central vertical axis A of the coupling window 25. This makes it possible to calibrate the beam properties of laser beams 22 that run at an angle a obliquely to the central vertical axis A.
  • FIG. 5 a further exemplary embodiment of a calibration system 100′′ according to the invention is shown schematically in a perspective view. 6 shows a sectional view along the sectional plane marked in FIG. 5. ne S. For better illustration, only the top of the chamber wall 4 is shown here in detail.
  • a coupling window 25 is arranged in a recess in the top of the chamber wall 4. Through the coupling window 25, a laser beam 22 impinges on a measuring area 36 of a measuring unit 35, which is arranged within the process chamber 3 (see FIG. 1).
  • the measuring unit 35 here also has a fan 37 with cooling fins in order to dissipate any heat that may arise.
  • the measuring unit 35 is attached adjacent to the coupling window 25 using the calibration aid 80.
  • the calibration aid 80 has two pins 84 (see FIGS. 6 and 7), which engage in a form-fitting manner in complementary elements (not shown) which are rigidly connected to the chamber wall 4. By means of the pins 84 and the complementary elements, the calibration aid 80 and thus also the measuring unit 35 are guided exactly into the position required for the measurement.
  • sheets 26 are also arranged on both sides next to the coupling window 25, parallel to the cutting plane S. The sheets 26 are each encompassed by a fastening clamp 82 of the calibration aid 80.
  • the calibration aid 80 is fastened to the sheets 26 in a non-positive manner using the fastening clamps 82 and a knurled screw 83 each.
  • a cavity 94 is arranged between the coupling window 25 and the measuring area 36 of the measuring unit 35 and is enclosed by the hollow body of the calibration aid 80.
  • the cavity 94 here is designed to be flat compared to the exemplary embodiments from FIGS. 3 and 4, so that a substantially laminar flow with the gas suitable for calibration results. This is illustrated in FIG. 7, which schematically shows a perspective view of the calibration aid 80 from FIGS. 5 and 6 with the measuring unit 35, but without the chamber wall 4.
  • the calibration aid 80 has an inflow opening 81.
  • the inflow opening 81 is preferably fluidly connected directly to a gas supply (not shown).
  • the gas supply here is preferably not the process gas supply intended for the actual circulation of the process gas.
  • the gas supply used here is preferably designed separately from the process gas supply and is preferably regulated separately.
  • the laser beam 22 thus runs between the coupling window 25 and the measuring area 36 of the measuring unit 35 in the cavity 94, which is enclosed by the calibration aid 80 and through which the gas suitable for the calibration flows during the calibration. As a result, the laser beam 22 is sealed off from gases from the ambient atmosphere, which could have a negative influence on the calibration.
  • the calibration aids 40, 60 from FIGS. 3 and 4 are particularly suitable for carrying out a calibration based on beam properties that are recorded in the area of the production level 7
  • the calibration aid 80 shown in FIGS. 5 to 7 has an advantageously small one flooding volume and is used for measurements for calibration, which can be carried out in the area of the coupling window 25, such as. B. a measurement of the total power of the laser beam 22.
  • FIG. 8 shows a flowchart, shown in a block diagram, of an exemplary embodiment of a method according to the invention for calibrating an energy beam 22 of an additive manufacturing device 1.
  • a number of additive manufacturing processes are carried out using the additive manufacturing device 1. After a predetermined number of manufacturing cycles, a predetermined operating time or as required, the energy beam 22 needs to be calibrated.
  • a calibration aid 40, 60, 80 is provided, which has a hollow body 54, 74, 94 with an inflow opening 41, 61, 81.
  • the calibration aid 40, 60, 80 is introduced into a process chamber 3 of the additive manufacturing device 1, so that it encloses the energy beam from a coupling window 25 or a beam entry 25 to a measuring unit 35 for the following calibration.
  • the inflow opening 41, 61, 81 is fluidly connected to a gas supply, so that a gas suitable for calibration flows through the hollow body 54, 74, 94 in a fourth step IV.
  • a fifth step V the calibration is carried out under this gas atmosphere.
  • a beam property such as B. the power of the energy beam 22, by means of which Measuring unit 35, such as B. a power meter.
  • Measuring unit 35 such as B. a power meter.
  • a sixth step VI after calibration, the calibration aid 40 and the measuring unit 35 are removed from the process chamber 3.
  • a number of manufacturing processes can be performed with the calibrated energy beam 22 until recalibration is required and steps II to VI are repeated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kalibrierungssystem (100, 100`, 100") für einen Energiestrahl (22) einer additiven Fertigungsvorrichtung (1). Es umfasst eine additive Fertigungsvorrichtung (1) mit einem Strahleintritt (25) für den Energiestrahl (22), eine Gasversorgung (31) zur Bereitstellung eines für eine Kalibrierung geeigneten Gases und eine Messeinheit (35) zum Erfassen einer Strahleigenschaft des Energiestrahls (22). Zudem umfasst das Kalibrierungssystem (100, 100`, 100") eine Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) mit einem Hohlraum (54, 74, 94) und einer Einströmöffnung (41, 61, 81) zur Einleitung des Gases in den Hohlraum (54, 74, 94). Dabei ist die Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) in der additiven Fertigungsvorrichtung (1) angeordnet und der Energiestrahl (22) vom Strahleintritt (25) bis zur Messeinheit (35) vom Hohlraum (54, 74, 94) umschlossen ist. Für die Kalibrierung wird das Gas in den Hohlraum (54, 74, 94) eingeströmt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kalibrierung eines Energiestrahls (22) sowie eine Verwendung einer Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) zur Kalibrierung eines Energiestrahls (22).

Description

KALIBRIERUNGSSYSTEM FÜR EINEN ENERGIESTRAHL EINER ADDITIVEN FERTIGUNGSVORRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kalibrierungssystem und ein Verfahren sowie eine Verwendung einer Kalibrierungshilfe zur Kalibrierung eines Energiestrahls.
Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Ferti- gungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen, in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten, durch das Anlagern von Material ein Ferti- gungsprodukt bzw. Bauteil aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt meist dadurch, dass ein Aufbaumaterial schichtweise aufgebracht und selektiv verfestigt wird. 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 Herstel- lung von Serienprodukten als „Direct Manufacturing“ bezeichnet.
Die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials erfolgt oftmals dadurch, dass wiederholt dünne Schichten des meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht und durch räumlich begrenztes Bestrahlen mittels eines Energiestrahls, z. B. mittels Licht- und/oder Wärme- und/oder Teilchenstrahlung, an den Stellen verfestigt werden, die nach der Fertigung zum herzustellenden Fertigungsprodukt gehören sollen. Ein Beispiel für ein mit einer Bestrahlung arbeitendes Verfahren ist „Laser Powder Bed Fusion“ bzw. „Selekti- ves Laserschmelzen“. Die Pulverkörner des Aufbaumaterials werden im Zuge des Verfes- tigens mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teil- weise oder vollständig aufgeschmolzen. Nach einer Abkühlung sind diese Pulverkörner dann miteinander in Form eines Festkörpers miteinander verbunden.
Bei einer solchen Herstellung ist es häufig erforderlich, dass ein Prozessgas zu Inertisie- rungs, Kühl- oder Abführungszwecken (insbesondere mit einem Gebläse) durch die Pro- zesskammer geleitet wird. Das heißt, dass der additive Fertigungsprozess unter einer Prozessgas-Atmosphäre erfolgt, die sich in ihren Eigenschaften - gegebenenfalls, we- sentlich - von der normalen Umgebungsatmosphäre unterscheidet. Beispielsweise kann die Prozessgas-Atmosphäre einen geringeren Gehalt an Luftfeuchtigkeit als die normale Umgebungsatmosphäre aufweisen. Bisweilen besteht die Notwendigkeit, den Energiestrahl zu kalibrieren, um die Eigenschaf- ten des Energiestrahls für die Fertigung möglichst optimal einzustellen. Dafür wird ein Messinstrument in den Strahlengang eingebracht, das Messwerte zu bestimmten Strah- leigenschaften des Energiestrahls erfasst. Um für die Kalibrierung möglichst dieselbe At- mosphäre wie bei der additiven Fertigung bereitzustellen, wird für die Kalibrierung bisher üblicherweise die gesamte Prozesskammer mit dem Prozessgas geflutet. Dies ist insbe- sondere zeitaufwändig, wenn mehrere Kalibrierungsschritte durchgeführt werden müssen und/oder die Prozesskammer zum sicheren Öffnen zunächst wieder auf eine normale Umgebungsatmosphäre gebracht werden muss.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kalibrierung eines Energiestrahls einer additiven Fertigungsvorrichtung zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch ein Kalibrierungssystem nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Energiestrahls nach Patentanspruch 13 sowie eine Verwendung einer Kalibrierungshilfe zur Kalibrierung eines Energiestrahls nach Patentanspruch 15 gelöst.
Das eingangs genannte Kalibrierungssystem für einen Energiestrahl einer additiven Ferti- gungsvorrichtung umfasst eine additive Fertigungsvorrichtung mit einem Strahleintritt für den Energiestrahl. Ferner umfasst es eine Gasversorgung zur Bereitstellung eines für eine Kalibrierung geeigneten Gases, eine Messeinheit zum Erfassen einer Strahleigen- schaft des Energiestrahls sowie eine Kalibrierungshilfe mit einem Hohlraum und einer Einströmöffnung zur Einleitung des Gases in den Hohlraum. Dabei ist die Kalibrierungshil- fe in der additiven Fertigungsvorrichtung so angeordnet, dass der Energiestrahl vom Strahleintritt bis zur Messeinheit vom Hohlraum umschlossen ist, und das Gas wird für die Kalibrierung in den Hohlraum eingeströmt.
Bei dem Energiestrahl handelt es sich grundsätzlich um einen beliebigen Energiestrahl, der zum selektiven Schmelzen bzw. Sintern eines entsprechenden Materials zur additiven Fertigung geeignet ist. Z. B wird der Energiestrahl mittels eines Lasers, bevorzugt mittels eines CO-Lasers erzeugt. Es kann sich beispielsweise auch um einen CO2-Laser, einen Diodenlaser, insbesondere einen Diodenlaser mit 4-7pm Wellenlänge, einen Nd:YAG- Laser, einen Elektronenstrahl oder dergleichen handeln. Der Energiestrahl tritt im Betrieb über den - zumindest einen - Strahleintritt in die Prozess- kammer bzw. in den Bauraum der additiven Fertigungsvorrichtung ein. Der Strahleintritt kann in einfacher Weise als Öffnung bzw. Durchbruch in die Prozesskammer ausgebildet sein. Um das Volumen der mit Prozessgas zu füllenden Bereiche klein zu halten, ist die Prozesskammer jedoch vorzugsweise gasdicht von anderen Bereichen der additiven Fer- tigungsvorrichtung, wie z. B. einer Optikkammer für die optischen Elemente zur Einstel- lung des Energiestrahls, abgetrennt. Der Strahleintritt ist daher beispielsweise als für den Energiestrahl transparentes Einkopplungsfenster ausgebildet.
Das für die Kalibrierung geeignete Gas wird in Abhängigkeit vom Energiestrahl, d. h. ab- hängig von der Art des Energiestrahls gewählt. Es weist zumindest ähnliche optische Ei- genschaften wie das Prozessgas auf. Bevorzugt ist bei einem CO-Laser als Energiestrahl trockene Luft oder Stickstoff als Gas für die Kalibrierung geeignet. Das Gas wird z. B. mit- tels Gasflasche, mittels einer separaten hausinternen Gasversorgung oder bevorzugt mit- tels der Gasversorgung der additiven Fertigungsvorrichtung bereitgestellt.
Der Hohlraum der Kalibrierungshilfe ist von einem Hohlkörper umschlossen. Der Hohlkör- per kann dabei im Wesentlichen durch entsprechende Elemente der Kalibrierungshilfe gebildet sein. Alternativ wird der Hohlkörper durch ein Zusammenwirken von Elementen der Kalibrierungshilfe mit Elementen der additiven Fertigungsvorrichtung, wie z. B. einer Wandung der Prozesskammer und/oder dem Einkoppelfenster bzw. Strahleintritt gebildet sein. Somit ist im bestimmungsgemäßen Betrieb zugleich der Energiestrahl vom Strahl- eintritt bis zur Messeinheit bzw. zum Messinstrument eingehaust. Das heißt, der Strah- lenweg bzw. Strahlengang des Energiestrahls ist innerhalb der Prozesskammer durch den Strahleintritt, die Kalibrierungshilfe und das Messinstrument weitgehend eingeschlossen. Er verläuft durch den Hohlraum der Kalibrierungshilfe. Somit ist der Strahlenweg im Kalib- rierungssystem von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt, die gegebenenfalls Eigen- schaften aufweisen kann, die für eine exakte Kalibrierung hinderlich wären. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit der Kalibrierung verbessert.
Für die Kalibrierung wird das Gas durch die Einströmöffnung in den Hohlraum der Kalib- rierungshilfe eingeströmt bzw. eingeleitet. Dazu ist die Einströmöffnung fluidisch, z. B. mittels eines Schlauchs oder Ähnlichem, mit der Gasversorgung verbunden.
Die Messeinheit ist in Abhängigkeit von der zu erfassenden Strahleigenschaft des Ener- giestrahls ausgebildet. Wenn beispielsweise mittels der Messeinheit die Leistung des Energiestrahls als Strahleigenschaft gemessen bzw. erfasst wird, ist die Messeinheit als Powermeter ausgebildet. Sie ist angrenzend an die Kalibrierungshilfe so angeordnet und bevorzugt so daran befestigt, dass der Energiestrahl auf einen Messbereich der Messein- heit trifft.
Die Kalibrierungshilfe ist bevorzugt also eine von der additiven Fertigungsvorrichtung leicht trennbare bzw. aus der Prozesskammer herausnehmbare Zusatzeinheit, die ledig- lich für die Kalibrierung des Energiestrahls in die Prozesskammer eingebracht wird.
Dementsprechend weist das eingangs genannte Verfahren zur Kalibrierung eines Ener- giestrahls einer additiven Fertigungsvorrichtung, welche einen Strahleintritt umfasst, zu- mindest folgende Schritte auf: In einem Schritt wird eine Kalibrierungshilfe bereitgestellt, welche einen Hohlraum und eine Einströmöffnung zur Einleitung eines für die Kalibrierung geeigneten Gases umfasst. In einem weiteren Schritt wird die Kalibrierungshilfe in die additive Fertigungsvorrichtung eingebracht, sodass der Energiestrahl vom Strahleintritt bis zu einer Messeinheit weitgehend vom Hohlraum umschlossen ist Der Hohlraum der Kalib- rierungshilfe wird in einem weiteren Schritt mit dem Gas beströmt. Währenddessen wird in einem folgenden Schritt die Kalibrierung des Strahlwegs durchgeführt. Dabei erfasst die Messeinheit eine Strahleigenschaft des Energiestrahls.
Das Verfahren umfasst somit im Wesentlichen die funktional ausgestalteten Merkmale des zuvor beschriebenen Kalibrierungssystems. Nach der erfolgten Kalibrierung werden die Kalibrierungshilfe und die Messeinheit bevorzugt aus der Prozesskammer entfernt, um additive Fertigungsprozesse mittels der additiven Fertigungsvorrichtung ausführen zu können.
Wie eingangs erwähnt wird eine Kalibrierungshilfe erfindungsgemäß zur Kalibrierung ei- nes Energiestrahls einer additiven Fertigungsvorrichtung verwendet. Dabei wird die Kalib- rierungshilfe mit ihrem Hohlraum in die additive Fertigungsvorrichtung eingebracht, so- dass der Energiestrahl vom Strahleintritt bis zu einer Messeinheit im Hohlraum umschlos- sen ist. Während der Kalibrierung des Strahlwegs wird der Hohlraum der Kalibrierungshil- fe mit einem für die Kalibrierung geeigneten Gas beströmt und mittels der Messeinheit eine Strahleigenschaft des Energiestrahls erfasst.
Im Vergleich zur Flutung der gesamten Prozesskammer verringert der erfindungsgemäße Einsatz der Kalibrierungshilfe in der Prozesskammer einer additiven Fertigungsvorrich- tung also vorteilhafterweise das Volumen, das für die Kalibrierung des Energiestrahls mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas beströmt bzw. geflutet werden muss. Dadurch wird die für die Kalibrierung benötigte Zeit insbesondere verringert. Dies ist insbesondere der Fall, wenn mehrere Kalibrierungsschritte und somit mehrere Flutungen nach neuer, angepasster Einstellung des Energiestrahls notwendig sind.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung er- geben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den ab- hängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie wei- tergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Aus- führungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombi- niert werden können.
Das für die Kalibrierung geeignete Gas wird im Folgenden als „Gas“ bezeichnet. Vor- zugsweise wird das Gas so in den Hohlraum geleitet, dass während der Kalibrierung in dem Hohlraum eine relative Feuchte unterhalb von 5%, besonders bevorzugt unterhalb von 4%, ganz besonders bevorzugt unterhalb von 3% gehalten wird. Die relative Feuchte ist wie eingangs beschrieben beispielsweise für die Strahleigenschaften eines CO-Lasers oder eines Diodenlasers mit 4-7pm Wellenlänge relevant. Da die relative Feuchte bei ei- nem additiven Fertigungsprozess ähnlich niedrig ist wie bei den bevorzugten Feuchtewer- ten, ist es vorteilhaft, den Energiestrahl auch unter diesen Bedingungen zu kalibrieren. Bevorzugt beträgt eine Temperatur des Gases während der Kalibrierung mindestens 10°C und/oder höchstens 50°C.
Demgegenüber herrscht im restlichen Volumen der Prozesskammer der additiven Ferti- gungsvorrichtung während der Beströmung des Hohlraums eine typische relative Umge- bungsfeuchte, die im Mittel bevorzugt größer 3%, weiter bevorzugt größer 5%, noch wei- ter bevorzugt größer 10%, besonders bevorzugt größer 20% ist.
Der Hohlraum des Kalibrierungssystems, also das Volumen zwischen dem Strahleintritt, der Kalibrierungshilfe und dem Messinstrument, muss dabei nicht gasdicht abgeschlossen sein. Bevorzugt weist es, z. B. an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Ele- menten, kleine Spaltmaße auf, durch die das Gas ausströmen kann. Dadurch wird vorteil- hafterweise - insbesondere beim ersten Fluten des Hohlraums mit dem Gas - die Gaszu- sammensetzung der Umgebungsatmosphäre aus dem Hohlraum verdrängt. Das Gas wird bevorzugt mittels der Gasversorgung der additiven Fertigungsvorrichtung bereitgestellt. Dies ist vorteilhaft, da unmittelbar dasselbe Gas wie bei dem Fertigungs- prozess genutzt wird und so im Wesentlichen dieselben optischen Bedingungen wie in der Prozessgas-Atmosphäre herrschen.
Die Gaseinleitung in den Hohlraum erfolgt bevorzugt über einen separaten Anschluss bzw. Einlass in der Prozesskammer. Das heißt, in der Prozesskammer ist bevorzugt ein zusätzlicher Gasanschluss bzw. Gaseinlass für die Kalibrierung angeordnet. Für die Kalib- rierung werden also bevorzugt nicht der eine oder mehrere vorhandene Gaseinlässe in die Prozesskammer verwendet, die zu einer relativ großvolumigen Inertisierung und/oder einer Reinigung des Prozesskammervolumens von Verunreinigungen des Prozessgases dienen. Die Einlässe für den Fertigungsprozess müssen somit nicht verstellt werden. Zu- dem ist der separate Anschluss zur Kalibrierung bevorzugt unabhängig von den weiteren Einlässen ansteuerbar bzw. regelbar. Durch den derart regelbaren Volumenstrom des Gases für die Kalibrierung können beispielsweise auch die zuvor genannten relativen Feuchtewerte im Hohlraum erzielt werden.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltungsform wird eine Anzahl vorhandener Gaseinlässe in die Prozesskammer zur Bereitstellung des für die Kalibrierung geeigneten Gases genutzt. Dazu wird besonders bevorzugt das Gas mittels einer einer Anzahl von Strahleintritten zugeordneten Anströmeinrichtung der additiven Fertigungsvorrichtung be- reitgestellt. Im regulären Fertigungsbetrieb wird die Anströmeinrichtung bzw. Freibla- sungseinrichtung zur gerichteten Anströmung mindestens eines Strahleintritts bzw. Laser- Windows bzw. Einkoppelfensters genutzt. Zur Durchführung der Kalibrierung wird die An- strömeinrichtung separat aktiviert und geregelt bzw. angesteuert, während andere Einrich- tungen zur globalen Flutung/Beströmung der Prozesskammer mit Prozessgas/Inertgas gleichzeitig deaktiviert sein können. Die Anströmeinrichtung versorgt zur Durchführung der Kalibrierung also die Einströmöffnung der Kalibrierungshilfe mit dem für die Kalibrie- rung geeigneten Gas.
Beispielsweise kann der Hohlraum der Kalibrierungshilfe in der bestimmungsgemäßen Position an eine prozesskammerseitige Öffnung (Gaseinlass) der Anströmeinrichtung angedockt sein und während der Kalibrierung das Gas in den Bereich zwischen Strahlein- tritt bzw. Einkoppelfenster und Messeinheit leiten. Eine relative Gasdichtigkeit kann z. B. durch eine zur Geometrie der Deckenwandung bereichsweise komplementäre Ausbildung der Kalibrierungshilfe erreicht werden. Das heißt, die Kalibrierungshilfe schließt aufgrund ihrer Formgebung im Wesentlichen gasdicht - z. B. durch entsprechende Positions- und Fertigungsgenauigkeit und/oder mittels zusätzlicher Dichtungen - an Wandung bzw. De- ckenwandung der Prozesskammer an.
Die Kalibrierungshilfe bildet vorzugsweise in einer bestimmungsgemäßen Position im Zu- sammenwirken mit einer Prozesskammerwandung der additiven Fertigungsvorrichtung den Hohlraum aus. Dabei liegt die Einströmöffnung der Kalibrierungshilfe besonders be- vorzugt an einer Gasaustrittsöffnung der Anströmeinrichtung an und ist damit fluidisch verbunden.
Der Hohlraum dient also als Gasführung bzw. als ein Gaskanal und kann z. B. durch Aus- nehmungen bzw. eine Ausbildung der Kalibrierungshilfe realisiert sein, die in der bestim- mungsgemäßen Position bereichsweise von der Prozesskammerwandung beabstandete Oberflächen umfasst. Im bestimmungsgemäß angedockten Zustand an die Anströmein- richtung und/oder an eine Prozesskammerdecke und/oder -wandung kann die erfin- dungsgemäße Kalibrierungshilfe mit der Messeinheit den Hohlraum bzw. also einen durchströmten Spalt bzw. Kanal formen. Der derart gebildete Hohlraum kann eine Aus- strömöffnung aufweisen, die im bestimmungsgemäßen Betrieb als einzige Öffnung der Kalibrierungshilfe das einströmende Gas in das Innere der Prozesskammer austreten lässt.
Ein vorteilhafter Synergieeffekt ergibt sich bei dieser Ausgestaltungsform dadurch, dass derartige Anströmeinrichtungen in der Regel an einer Deckenwandung der Prozesskam- mer und in der Nähe der vorhandenen Anzahl von Strahleintritten bzw. Einkoppelfenstern angeordnet sind. Ihre Nutzung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Ka- librierungssystems dient folglich außerhalb des Fertigungsprozesses einem weiteren Zweck, sodass sonst ggf. zusätzlich notwendige Anschlüsse, Ventile und/oder Leitungs- führungen vorteilhafterweise einspart werden.
Der Hohlraum weist vorzugsweise eine variable Höhe auf. Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen dem Strahleintritt und der Messeinheit mittels des Hohlraums, insbe- sondere mittels der Elemente, die den Hohlkörper bilden, einstellbar bzw. verstellbar. Dadurch können beispielsweise die Strahleigenschaften des Energiestrahls in verschie- denen Höhenpositionen der Fertigungsebene bzw. des Baufelds kalibriert werden. Detail- lierte Ausgestaltungsformen werden im Folgenden beschrieben. Um die Höhe zu variieren, ist der Hohlraum bevorzugt dehnbar ausbildet. Dazu kann der Hohlraum, d. h. insbesondere der Hohlkörper, besonders bevorzugt aus einem elasti- schen Material, insbesondere als Schlauch, gefertigt sein. Alternativ oder zusätzlich kann er besonders bevorzugt als Faltenbalg oder ähnlich dehnbares Element ausgestaltet sein. Zumindest weist der Hohlkörper bevorzugt entsprechend dehnbare Bereiche auf. Durch diese Ausgestaltung kann zum einen die Höhenposition der Messeinheit variiert werden, aber auch die Position innerhalb der Fertigungsebene senkrecht zur Höhe.
Ferner können der Hohlraum bzw. der Hohlkörper besonders bevorzugt als elastisches Zelt oder als Zelt in Form eines Faltenbalgs ausgestaltet sein. Dabei kann er z. B. Pyra- midenform oder Kegelform aufweisen. Anders als bei einer im Wesentlichen linearen bzw. röhrenförmigen Ausgestaltung des Hohlkörpers ermöglicht es eine zeltartige, pyramiden- förmige oder kegelförmige Ausgestaltung, Kalibrierungsmessungen über das gesamte Baufeld ohne Umpositionierung der Kalibrierungshilfe durchzuführen.
Um die Höhe zu variieren, ist der Hohlraum bzw. der Hohlkörper alternativ oder zusätzlich bevorzugt ausziehbar ausgestaltet. D. h. er weist zumindest einen ausziehbaren Teil bzw. einen Auszug auf. Er kann dabei auch starre Komponenten umfassen. Bei dem Auszug kann es sich beispielsweise um einen Teleskopauszug handeln.
Vorzugsweise weist die Kalibrierungshilfe an zumindest einem, besonders bevorzugt an jedem, Ende des Hohlkörpers ein Gelenk auf. Als Gelenk kann beispielsweise ein einfa- ches Drehgelenk oder eine Kombination von mehreren Gelenken dienen. Das Gelenk kann z. B. auch balgartig ausgebildet sein. Ganz besonders bevorzugt ist das Gelenk je- doch als Kugelgelenk ausgestaltet. Mittels des Gelenks, insbesondere in Kombination mit der variablen Höhe des Hohlraums bzw. Hohlkörpers, lässt sich die Messeinheit vorteil- hafterweise bei beliebigen Höheneinstellungen der Fertigungsebene an verschiedenen Positionen, insbesondere an unterschiedlichen für die Kalibrierung erforderlichen Positio- nen, in der Fertigungsebene positionieren. Dabei bleibt der Strahlweg vom Hohlkörper umschlossen bzw. in dessen Hohlraum eingeschlossen, sodass der Energiestrahl wäh- rend der Kalibrierung durch das für die Kalibrierung geeignete Gas verläuft.
Die Kalibrierungshilfe ist bevorzugt selbsthaltend ausgebildet. Das heißt, sie ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine einmal eingestellte Höhe und/oder eingestellte Gelenkstel- lung hält. Die Kalibrierungshilfe ist also besonders bevorzugt derart selbsthaltend ausge- bildet, dass sie sich in der additiven Fertigungsvorrichtung positionsfest und/oder dimen- sionsfest hält.
Dies wird beispielsweise dadurch erzielt, dass sich zwischen den einzelnen einstellbaren Elementen ein Reibungswiderstand ergibt. Der Reibungswiderstand kann dabei durch ein relativ geringes Spiel und/oder entsprechende Oberflächeneigenschaften, insbesondere durch eine geeignete Oberflächenrauigkeit, der Elemente erzeugt werden. Der Reibungs- widerstand ist bevorzugt bei einer manuellen Verstellung leicht zu überwinden, ist jedoch ausreichend, dass die einzelnen Elemente ohne äußere Einwirkung ihre relative Stellung bzw. Anordnung halten.
Das Kalibrierungssystem weist bevorzugt Befestigungsmittel zur Anbringung der Kalibrie- rungshilfe an der additiven Fertigungsvorrichtung auf. Die Befestigungsmittel sind bei- spielsweise an der Kalibrierungshilfe oder der additiven Fertigungsvorrichtung angeord- net. Sie sind bevorzugt als einen Formschluss und/oder Reibschluss ausbildende kom- plementäre Elemente ausgestaltet. Die Kalibrierungshilfe kann beispielsweise mithilfe von Klemmschrauben oder einem Clipverschluss, insbesondere mittels händisch lösbarer, formschlüssiger Rastnasen, weiterer formschlüssiger Elemente und/oder dergleichen rea- lisiert sein. Dabei wird die Kalibrierungshilfe bevorzugt im Bereich des Strahleintritts in die Prozesskammer bzw. Einkoppelfensters für den Energiestrahl befestigt.
Die Kalibrierungshilfe erstreckt sich in der additiven Fertigungsvorrichtung vorzugsweise über eine anteilige oder vollständige Distanz zwischen einer Fertigungsebene bzw. dem Baufeld und einem Strahleintritt der additiven Fertigungsvorrichtung. Das heißt, die Kalib- rierungshilfe ist z. B. am Einkoppelfenster befestigt, wie zuvor beschrieben, von dort aus erstreckt sie sich aber nicht vollständig bis zur Fertigungsebene, sondern hält die Mess- einheit - quasi schwebend - in einer Position zwischen der Fertigungsebene und dem Strahleintritt.
Der Hohlkörper der Kalibrierungshilfe umschließt den Energiestrahl ab dem Durchtreten des Energiestrahls durch den Strahleintritt bzw. das Einkoppelfenster bevorzugt vollstän- dig bis zum Auftreffen auf die Messeinheit. Das vom Hohlkörper umschlossene Volumen, also der Hohlraum, ist dabei bevorzugt kleiner als das Volumen der Prozesskammer, ins- besondere kleiner als ein Drittel, weiter bevorzugt kleiner als ein Viertel, noch weiter be- vorzugt kleiner als ein Zehntel, besonders bevorzugt kleiner als ein Fünfzigstel, ganz be- sonders bevorzugt kleiner als ein Hundertstel des Volumens der Prozesskammer. Das Verhältnis und der sich daraus ergebende Einspareffekt verbessert sich mit zunehmender Größe des Bauraums immer weiter. Dementsprechend geringer ist vorteilhafterweise auch die Zeit, die erfindungsgemäß für die Flutung des Volumens zur Kalibrierung benö- tigt wird.
Die Kalibrierungshilfe und/oder die Messeinheit sind bevorzugt aus der Prozesskammer entfernbar und werden vor einem additiven Fertigungsprozess aus der Prozesskammer entnommen. Das heißt, vor Inbetriebnahme der additiven Fertigungsvorrichtung oder nach einem vorhergehenden additiven Fertigungsprozess wird bevorzugt ein erfindungs- gemäßes Verfahren zur Kalibrierung durchgeführt, folgend wird die Kalibrierungshilfe und/oder die Messeinheit bevorzugt aus der Prozesskammer entnommen, weiter folgend wird ein neuer, anschließender additiver Fertigungsprozess durchgeführt.
Das heißt, ein additiver Fertigungsvorgang findet während der Kalibrierung bevorzugt nicht statt. Demzufolge ist besonders bevorzugt die Beströmung der Prozesskammer, die z. B. durch ein Umwälzungssystem zum Zuführen und Rückführen von Prozessgas, ggf. unter Filterung verunreinigten Prozessgases, bereitgestellt sein kann, während der Kalib- rierung mit dem erfindungsgemäßen Kalibrierungssystem deaktiviert. Dadurch wird vor- teilhafterweise Prozessgas bzw. die zur Umwälzung des Prozessgases benötigte Energie eingespart.
Die Eigenschaft des Energiestrahls, die zur Kalibrierung erfasst wird, umfasst bevorzugt eine Strahlleistung, eine Intensitätsverteilung, eine Fokusposition, eine Fokusgeometrie und/oder ein Ansprechverhalten des Energiestrahls. Alternativ oder zusätzlich können auch Eigenschaften einer Energiestrahl-Ablenkeinrichtung (z. B. eines Galvanometer- scanners) gemessen werden, z. B. eine Positionsgenauigkeit einer oder mehrerer Ablen- keinrichtungen zueinander.
Zur Bestimmung der Laserleistung wird z. B., wie zuvor beschrieben, ein typisches Powermeter verwendet. Die Laserleistung wird dabei bevorzugt nicht im Brennpunkt bzw. Fokus, sondern außerhalb des Fokus gemessen, da die Intensität im Fokus punktuell ggf. zu groß ist. Liegt der Brennpunkt beispielsweise in der Fertigungsebene, wird das Powermeter einfach auf die Fertigungsebene bzw. eine Bauplattform gestellt. Der so er- zeugte Versatz zum Brennpunkt ist für die Leistungsmessung ausreichend, denn das Powermeter kann auf diese Weise noch die gesamte Leistung erfassen, ohne dass die Intensität in einem Punkt zu groß ist. Die Fokusposition gibt die Lage des Fokus im dreidimensionalen Raum in Relation zur additiven Fertigungsvorrichtung an, d. h. insbesondere eine Höhe über der Fertigungs- ebene bzw. einen Abstand zum Strahleintritt sowie eine zweidimensionale Position in ei- ner Ebene parallel zu der Fertigungsebene. Die Fokusgeometrie gibt dabei an, ob der Fokus kreisförmig, elliptisch, insbesondere mit Angabe über die Hauptachsen, oder an- ders geformt ist. Die Fokusposition und die Fokusgeometrie lassen sich beispielsweise mittels eines Fokusmonitors als Messeinheit bestimmen. Dieser kann z. B. in einfacher Weise mittels eines Powermeters mit vorgelagertem Pinhole (punktförmige Lochblende) realisiert sein.
Das Ansprechverhalten des Energiestrahls beschreibt dabei eine Reaktionsverzögerung bzw. Leistungskurve bei Anschalten, Abschalten oder bei einer Änderung der Leistungs- anforderung. Als Messeinheit für das Ansprechverhalten kann beispielsweise Thermopa- pier dienen. Darauf können nach den Kalibrierungsmessungen die entsprechenden Ei- genschaften beim Ansprechverhalten ermittelt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Fi- guren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer additiven Ferti- gungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts,
Figur 2 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems für einen Energiestrahl einer additiven Fertigungsvorrichtung,
Figur 3 eine schematische, im Schnitt dargestellte Detailansicht eines weiteren Ausfüh- rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems,
Figur 4 eine schematische, im Schnitt dargestellte Detailansicht des Kalibrierungssystems aus Figur 2, Figur 5 eine schematische perspektivische Detailansicht eines weiteren Ausführungsbei- spiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems,
Figur 6 eine Schnittansicht des Kalibrierungssystems aus Figur 5,
Figur 7 eine perspektivische Detailansicht der Kalibrierungshilfe aus Figur 5 mit einer Messeinheit und
Figur 8 ein im Blockschema dargestelltes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines Energiestrahls einer additi- ven Fertigungsvorrichtung.
Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 eine additive Fertigungsvorrichtung 1 für ein drei- dimensionales Objekt beschrieben. Die in Fig. 1 schematisch und teilweise im Schnitt dargestellte Fertigungsvorrichtung 1 ist eine selektiv wirkende Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwan- dung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Fertigungsebene 7 defi- niert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Fertigungsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird. Zudem um- fasst die Prozesskammer 3 eine der Prozesskammer 3 zugeordnete Prozessgaszufuhr 31 sowie einen Prozessgasauslass 32.
In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grund- platte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In Fig. 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bau- plattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbauma- terial 13, dargestellt. Die Laserschmelzvorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 14 für ein durch elekt- romagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 15 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des bevorrate- ten Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Vorzugsweise erstreckt sich der Be- schichter 16 quer zu seiner Bewegungsrichtung über den ganzen zu beschichtenden Be- reich.
Die Laserschmelzvorrichtung 1 umfasst ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 , bevorzugt einem CO-Laser, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über einen Strahleintritt 25 bzw. ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
Weiter enthält die Laserschmelzvorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzel- nen Bestandteile der Laserschmelzvorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinheit 29 auch teilweise oder ganz außerhalb der Laserschmelzvorrichtung 1 angebracht sein. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) ge- steuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Laserschmelzvorrichtung 1 auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Laserschmelzvorrich- tung 1 , insbesondere in die Steuereinheit 29 geladen werden kann.
Als Aufbaumaterial 15 wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material verwendet, wobei es sich beispielsweise um ein metallhaltiges oder metallbasiertes Aufbaumaterial handeln kann, aber bevorzugt um ein polymerhaltiges, besonders bevorzugt um ein polymerba- siertes (> 50 wt.% Polymeranteil) Aufbaumaterial handelt.
Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Der Beschichter 16 fährt zu- nächst zu dem Vorratsbehälter 14 und nimmt aus ihm eine zum Aufbringen einer Schicht ausreichende Menge des Aufbaumaterials 15 auf. Dann fährt er über das Baufeld 8, bringt dort pulverförmiges Aufbaumaterial 15 auf die Bauunterlage 12 oder eine bereits vorher vorhandene Pulverschicht auf und zieht es zu einer Pulverschicht aus. Das Aufbringen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vor- zugsweise über das gesamte Baufeld 8, also den durch die Behälterwandung 6 begrenz- ten Bereich. Optional wird das pulverförmige Aufbaumaterial 15 mittels einer Strahlungs- heizung auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt.
Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 15 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Dabei werden die Pul- verkörner an diesen Stellen mittels der durch die Strahlung eingebrachten Energie teilwei- se oder vollständig aufgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander ver- bunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden so lange wiederholt, bis das Ob- jekt 2 fertiggestellt ist und der Prozesskammer 3 entnommen werden kann.
Figur 2 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausfüh- rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems 100 für einen Energie- strahl 22, insbesondere den Strahl eines CO-Lasers, einer additiven Fertigungsvorrich- tung 1. Die additive Fertigungsvorrichtung 1 entspricht der additiven Fertigungsvorrichtung 1 aus Fig. 1. Zur besseren Veranschaulichung des Kalibrierungssystems 100 sind hier jedoch einige Elemente der additiven Fertigungsvorrichtung 1 nicht dargestellt. Der Träger 10 und die Grundplatte 11 sind hier in einer Startposition angrenzend an die Fertigungs- ebene 7 bzw. das Baufeld 8 angeordnet.
Das Kalibrierungssystem 100 umfasst neben der additiven Fertigungsvorrichtung 1 eine Kalibrierungshilfe 60 sowie eine Messeinheit 35. Die Messeinheit 35 ist hier als Powerme- ter 35 zur Messung der Laserleistung als Strahleigenschaft ausgebildet und im Strahlweg des Laserstrahls 22 auf der Fertigungsebene 7 stehend positioniert.
Der Strahlweg des Lasers 22 innerhalb der Prozesskammer 3 ist von dem Einkoppelfens- ter 25 bis zum Powermeter 35 von der Kalibrierungshilfe 60 umschlossen. Die Kalibrie- rungshilfe 60 weist eine Einströmöffnung 61 auf, welche hier in beispielhaft einfacher Aus- führung mittels eines Schlauchs 26 und eines Pfropfens 27 fluidisch mit der Prozessgas- zufuhr 31 verbunden ist. Während einer Kalibrierung wird darüber das Innere bzw. der Hohlraum 74 (siehe Fig. 4) der Kalibrierungshilfe 60 mit Prozessgas, insbesondere mit Stickstoff, beströmt, wie durch die Pfeile veranschaulicht ist. Das Prozessgas dringt dabei durch kleine Spalte zwischen den Elementen der Kalibrierungshilfe 60 und verdrängt da- bei die Gaszusammensetzung der umgebenden Atmosphäre aus der Kalibrierungshilfe 60. Da das Prozessgas für den Fertigungsprozess und für den Kalibrierungsprozess iden- tisch ist, ist es ein für die Kalibrierung geeignetes Gas, da es dieselben optischen Eigen- schäften hat. Durch das eingeströmte Gas wird beispielsweise eine relative Luftfeuchte von unter 3% im Hohlraum der Kalibrierungshilfe erzielt, wobei die Luftfeuchte insbeson- dere bei CO-Lasern Einfluss auf die Kalibrierung bzw. die Strahleigenschaften hat.
Die Kalibrierungshilfe 60 ist im Detail noch anhand von Fig. 4 beschrieben.
Figur 3 zeigt schematisch und im Schnitt eine Detailansicht eines weiteren Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems 100‘. Von der additiven Ferti- gungsvorrichtung 1 sind hier zur besseren Veranschaulichung nur die Fertigungsebene 7 und die Oberseite der Kammerwandung 4 mit dem Einkoppelfenster 25 dargestellt, wel- ches die Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. die Optikkammer mittels einer umlaufenden Dichtung 34 gasdicht von der Prozesskammer 3 trennt (siehe auch Fig. 1).
Die Kalibrierungshilfe 40 umfasst ein Oberteil 42 und ein Unterteil 43. Das Oberteil 42 und das Unterteil 43 sind im Wesentlichen zylindrisch geformt und konzentrisch angeordnet, sodass sie gemeinsam einen Hohlkörper mit einem Hohlraum 54 bilden. Dabei ist ein Au- ßenmaß des Unterteils 43 so in Relation zu einem Innenmaß des Oberteils 42 dimensio- niert, dass sie sich teleskopartig gegeneinander verschieben lassen. Dadurch kann die Höhe der Kalibrierungshilfe, d. h. der Abstand vom freien Ende des Oberteils 42 zum freien Ende des Unterteils 43, variiert bzw. eingestellt werden. Bevorzugt sind das Ober- teil 42 und das Unterteil 43 so dimensioniert, dass sie ohne manuelle Krafteinwirkung ei- nen Reibschluss ausbilden, der das Unterteil 42 und weitere daran befestigte Komponen- ten selbsttätig hält.
Am freien Ende des Oberteils 42 ist eine obere Aufnahme 44 ausgebildet. Die Oberseite der Kammerwandung 4 weist im Bereich um das Einkoppelfenster 25 ein Sims 33 auf. Das Sims 33 wird im Wesentlichen passgenau, also nur mit geringem Spaltmaß von der oberen Aufnahme 44 der Kalibrierhilfe 40 umschlossen. Das Sims 33 und die obere Auf- nahme 44 weisen somit komplementäre Formen auf. Sie können beispielsweise konzent- risch, kreisförmig oder quadratisch um das Einkoppelfenster 25 angeordnet sein. Die obe- re Aufnahme 44 ist bevorzugt so passgenau gefertigt, dass ein Reibschluss mit dem Sims 33 entsteht. Dadurch wird eine einfache Steckverbindung ausgebildet. Alternativ kann die obere Aufnahme 44 auch mit Befestigungsmitteln wie Klemmschrauben und/oder einem Clipverschluss kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Sims 33 verbunden sein. Das Oberteil 42 weist zudem eine Einströmöffnung 41 auf, die z. B. mit Hilfe eines Schlauchs 26 mit der Gasversorgung, insbesondere der Prozessgaszufuhr 31, fluidisch verbunden werden kann (siehe Fig. 2). Die Einströmöffnung 41 ist bevorzugt näher am bzw. benachbart zum freien Ende des Oberteils 42 hin angeordnet.
Am freien Ende des Unterteils 42 ist eine untere Aufnahme 45 ausgebildet. Die untere Aufnahme 45 ist passgenau zu einer Halterung 46 für die Messeinheit 35 gefertigt und umschließt deren zum Einkoppelfenster 25 weisende Öffnung. Auch hier bedeutet „pass- genau“ bevorzugt, dass zwischen der unteren Aufnahme 45 und der Halterung 46 ein Reibschluss entsteht, sodass eine einfache Steckverbindung ausgebildet wird. Alternativ können auch hier z. B. die oben angegebenen Befestigungsmittel verwendet werden.
Die Kalibrierungshilfe 40 ist also bevorzugt so ausgebildet, dass sie selbsttätig eine ein- mal eingestellte Höhe beibehält und somit auch an dem Sims 33 hängend die Messeinheit 35 in ihrer Halterung 46 hält. Dabei treten zwischen den Elementen der Kalibrierungshilfe 40 und den Verbindungsstellen mit dem Sims 33 und der Halterung 46 lediglich geringe Spaltmaße auf, durch die lediglich eine kleine Menge des für die Kalibrierung geeigneten und durch die Einströmöffnung 41 eingeleiteten Gases entweichen kann. Der Hohlraum 54 ist also nach einer initialen Flutung mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas befüllt und wird davon leicht durchströmt, sodass Gase der umgebenden Atmosphäre nicht in die Kalibrierungshilfe 40 eindringen. Der gesamte durch die Prozesskammer 3 verlaufende Strahlweg des Laserstrahls 22 ist also von der Kalibrierungshilfe 40 umschlossen und verläuft vom Einkoppelfenster 25 durch das für die Kalibrierung geeignete Gas, bis er auf ein Messfenster 36 bzw. Messbereich 36 der Messeinheit 35 trifft. Dadurch kann der La- serstrahl 22 im Wesentlichen unter den gleichen Bedingungen, d. h. mit den gleichen op- tischen Eigenschaften kalibriert werden, unter denen auch ein folgender additiver Ferti- gungsprozess durchgeführt wird.
Nach der Kalibrierung können die Steckverbindungen der Kalibrierungshilfe 40 (und ggf. deren Befestigungsmittel) mit dem Sims 33 sowie mit der Halterung 46 gelöst und die Kalibrierungshilfe 40 aus der Prozesskammer 3 entnommen werden. Um die Entnahme zu erleichtern, kann die Kalibrierungshilfe 40 z. B. unter Nutzung der teleskopartigen Hö- henverstellung zwischen ihrem Oberteil 42 und ihrem Unterteil 43 zusammengeschoben werden. In Figur 4 ist im Detail eine schematische Schnittansicht des Kalibrierungssystems aus Fig. 2 dargestellt. Die hier gezeigte Kalibrierungshilfe 60 ist ähnlich zu der Kalibrierungs- hilfe 40 aus Fig. 3. Im Unterschied dazu weist die Kalibrierungshilfe 60 jedoch zwei Ku- gelgelenke 68, 69, 70, 71, 72, 73 auf.
Ein oberes Kugelgelenk 68, 69, 70 ist zwischen der oberen Aufnahme 64 und dem Ober- teil 62 ausgebildet. Es umfasst eine mittlere Kalotte 68, eine äußere Kalotte 69 und eine innere Kalotte 70, die konzentrisch angeordnet sind. Die Kalotten 68, 69, 70 sind dabei als Kugelkalotte bzw. als Schicht einer Kugelkalotte geformt und weisen im Verhältnis zuei- nander von innen nach außen größer werdende Radien auf. Die äußere Kalotte 69 und die innere Kalotte 70 sind an der oberen Aufnahme 64 ausgebildet. Die mittlere Kalotte 68 ist am Oberteil 62 ausgebildet. Sie ist im Vergleich zu der äußeren Kalotte 69 und der inneren Kalotte 70 als näher am Pol der Kugel liegende Kugelschicht geformt und greift so teilweise zwischen die äußere Kalotte 69 und die innere Kalotte 70 ein. Das Oberteil 62 ist somit im Verhältnis zur oberen Aufnahme 64 um das gemeinsame Zentrum der Kalotten 68, 69, 70 beweglich bzw. drehbar gelagert. Die Fertigung eines solchen aus ineinander- greifenden Kalotten 68, 69, 70 zusammengesetzten Drehlagers 68, 69, 70 ist beispiels- weise mittels additiver Fertigung möglich.
Zwischen der unteren Aufnahme 65 und dem Unterteil 63 ist ein unteres Kugelgelenk 71 , 72, 73 in gleicher Weise wie das obere Kugelgelenk 68, 69, 70 ausgebildet. Auch hier greift eine am Unterteil 63 angeordnete mittlere Kalotte 71 zwischen eine innere Kalotte 73 und eine äußere Kalotte 72, welche beide an der unteren Aufnahme 65 ausgebildet sind. Die beiden Kugelgelenke 68, 69, 70, 71 , 72, 73 sind bevorzugt wie die Teleskopver- bindung zwischen dem Oberteil 62 und dem Unterteil 63 aufgrund des zwischen ihnen herrschenden Reibungswiderstands selbsthaltend ausgebildet.
Mittels der Kugelgelenke 68, 69, 70, 71 , 72, 73 kann die Messeinheit 35 in einem Versatz D zu einer Position auf einer zentralen senkrechten Achse A des Einkoppelfensters 25 positioniert werden. Dadurch ist es möglich, auch die Strahleigenschaften von Laserstrah- len 22 zu kalibrieren, die in einem Winkel a schräg zur zentralen senkrechten Achse A verlaufen.
In den Figuren 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems 100“ schematisch in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Dabei stellt Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der in Fig. 5 gekennzeichneten Schnittebe- ne S dar. Zur besseren Veranschaulichung ist hier lediglich die Oberseite der Kammer- wandung 4 ausschnittweise dargestellt.
In die Oberseite der Kammerwandung 4 ist in einer Aussparung ein Einkoppelfenster 25 angeordnet. Durch das Einkoppelfenster 25 trifft ein Laserstrahl 22 auf einen Messbereich 36 einer Messeinheit 35, die innerhalb der Prozesskammer 3 (siehe Fig. 1) angeordnet ist. Die Messeinheit 35 weist hier zudem einen Lüfter 37 mit Kühlrippen auf, um gegebe- nenfalls entstehende Wärme abzuführen.
Die Messeinheit 35 wird mittels der Kalibrierungshilfe 80 benachbart zum Einkoppelfens- ter 25 befestigt. Zur exakten Positionierung und Befestigung weist die Kalibrierungshilfe 80 zwei Zapfen 84 (siehe Fig. 6 und 7) auf, welche formschlüssig in komplementäre Ele- mente (nicht gezeigt) eingreifen, die starr mit der Kammerwandung 4 verbunden sind. Mittels der Zapfen 84 und der komplementären Elemente wird die Kalibrierungshilfe 80 und somit auch die Messeinheit 35 exakt in die für die Messung erforderliche Position geführt. Zur Befestigung sind außerdem parallel zur Schnittebene S beidseitig neben dem Einkoppelfenster 25 Bleche 26 angeordnet. Die Bleche 26 werden jeweils von einer Be- festigungsklemme 82 der Kalibrierungshilfe 80 umgriffen. Mittels der Befestigungsklem- men 82 und jeweils einer Rändelschraube 83 wird die Kalibrierungshilfe 80 kraftschlüssig an den Blechen 26 befestigt.
Zwischen dem Einkoppelfenster 25 und dem Messbereich 36 der Messeinheit 35 ist ein Hohlraum 94 angeordnet der vom Hohlkörper der Kalibrierungshilfe 80 umschlossen ist. Der Hohlraum 94 ist hier verglichen mit den Ausführungsbeispielen aus Fig. 3 und 4 flach ausgestaltet, sodass sich eine im Wesentlichen laminare Durchströmung mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas ergibt. Dies ist in Fig. 7 veranschaulicht, die schematisch eine perspektivische Ansicht der Kalibrierungshilfe 80 aus Fig. 5 und 6 mit der Messein- heit 35, jedoch ohne die Kammerwandung 4 zeigt.
Zur Einleitung des Gases in den Hohlraum 94 weist die Kalibrierungshilfe 80 eine Ein- strömöffnung 81 auf. Die Einströmöffnung 81 ist fluidisch bevorzugt direkt mit einer Gas- zufuhr (nicht gezeigt) verbunden. Bei der Gaszufuhr handelt es sich hier bevorzugt nicht um die für die eigentliche Umwälzung des Prozessgases vorgesehene Prozessgaszufuhr. Die hier verwendete Gaszufuhr ist bevorzugt separat von der Prozessgaszufuhr ausge- staltet und wird bevorzugt separat geregelt. Der Laserstrahl 22 verläuft somit zwischen dem Einkoppelfenster 25 und dem Messbe- reich 36 der Messeinheit 35 in dem Hohlraum 94, der von der Kalibrierungshilfe 80 um- schlossen ist und während der Kalibrierung mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas durchströmt wird. Dadurch ist der Laserstrahl 22 von Gasen aus der Umgebungsat- mosphäre abgeschlossen, welche negativen Einfluss auf die Kalibrierung haben könnten.
Während die Kalibrierungshilfen 40, 60 aus Fig. 3 und Fig. 4 insbesondere dazu geeignet sind, eine Kalibrierung anhand von Strahleigenschaften durchzuführen, die im Bereich der Fertigungsebene 7 erfasst werden, weist die in Fig. 5 bis 7 dargestellte Kalibrierungshilfe 80 ein vorteilhaft kleines zu flutendes Volumen auf und dient für Messungen zur Kalibrie- rung, welche im Bereich des Einkoppelfensters 25 durchgeführt werden können, wie z. B. eine Messung der Gesamtleistung des Laserstrahls 22.
Figur 8 zeigt ein im Blockschema dargestelltes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbei- spiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines Energiestrahls 22 ei- ner additiven Fertigungsvorrichtung 1.
In einem ersten Schritt I wird eine Anzahl von additiven Fertigungsprozessen mittels der additiven Fertigungsvorrichtung 1 durchgeführt. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Fertigungszyklen, einer vorgegebenen Betriebsdauer oder je nach Bedarf ist eine Kalibrie- rung des Energiestrahls 22 erforderlich.
Dazu wird in einem zweiten Schritt II eine Kalibrierungshilfe 40, 60, 80 bereitgestellt, wel- che einen Hohlkörper 54, 74, 94 mit einer Einströmöffnung 41 , 61 , 81 aufweist.
In einem dritten Schritt III wird die Kalibrierungshilfe 40, 60, 80 in eine Prozesskammer 3 der additiven Fertigungsvorrichtung 1 eingebracht, sodass sie für die folgende Kalibrie- rung den Energiestrahl von einem Einkoppelfenster 25 bzw. einem Strahleintritt 25 bis zu einer Messeinheit 35 umschließt.
Die Einströmöffnung 41 , 61 , 81 wird mit einer Gasversorgung fluidisch verbunden, sodass der Hohlkörper 54, 74, 94 in einem vierten Schritt IV mit einem für die Kalibrierung geeig- neten Gas durchströmt wird.
Unter dieser Gasatmosphäre wird in einem fünften Schritt V die Kalibrierung durchgeführt.
Dazu wird eine Strahleigenschaft, wie z. B. die Leistung des Energiestrahls 22, mittels der Messeinheit 35, wie z. B. einem Powermeter, erfasst. In Abhängigkeit von den so gemes- senen Werten werden Einstellungen an der Optik 22, 23 oder bei der Erzeugung 21 des Energiestrahls 22 vorgenommen, bis die gewünschte Strahleigenschaft erzielt wird.
In einem sechsten Schritt VI werden nach der Kalibrierung die Kalibrierungshilfe 40 sowie die Messeinheit 35 aus der Prozesskammer 3 entfernt.
In einem siebten Schritt VII kann mit dem kalibrierten Energiestrahl 22 eine Anzahl von Fertigungsprozessen durchgeführt werden, bis eine erneute Kalibrierung erforderlich ist und die Schritte II bis VI wiederholt werden.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorherge- hend detailliert beschriebenen Figuren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Obwohl zuvor lediglich ein CO-Laser als Energiestrahl und Stickstoff als für die Kalibrierung geeignetes Gas beschrieben wurden, sind auch andere Laserarten und entsprechend geeignete Gase oder Gasgemische vom Rahmen der vor- liegenden Erfindung umfasst. Auch kann die Kalibrierungshilfe andere Ausgestaltungen, wie z. B. eine Balgform oder dergleichen, aufweisen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einheit“, „Vorrich- tung“ oder „System“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil- Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste
1 additive Fertigungsvorrichtung / Laserschmelzvorrichtung
2 Objekt / Bauteil
3 Prozesskammer
4 Kammerwandung
5 Behälter
6 Behälterwandung
7 Fertigungsebene
8 Baufeld
10 Träger
11 Grundplatte
12 Bauplattform
13 unverfestigtes Aufbaumaterial
14 Vorratsbehälter
15 Aufbaumaterial
16 Beschichter
17 Strahlungsheizung
20 Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
21 Laser
22 Laserstrahl, Strahlweg
23 Umlenkvorrichtung / Scanner
24 Fokussiervorrichtung
25 Einkoppelfenster / Strahleintritt
26 Blech
28 Schlauch
27 Pfropfen
29 Steuereinheit
31 Prozessgaszufuhr
32 Prozessgasauslass
33 Sims
34 Dichtung
35 Messeinheit
36 Messbereich / Messfenster
37 Lüfter
40, 60, 80 Kalibrierungshilfe 41, 61 , 81 Einströmöffnung
42, 62 Oberteil
43, 63 Unterteil
44, 64 obere Aufnahme
45 untere Aufnahme
46 Halterung
54, 74, 94 Hohlraum / Hohlkörper
68, 71 mittlere Kalotte
69, 72 äußere Kalotte
70, 73 innere Kalotte
68, 69, 70 oberes Kugelgelenk
71, 72, 73 unteres Kugelgelenk
82 Befestigungsklemme
83 Rändelschraube
84 Zapfen
100, 100‘, 100“ Kalibrierungssystem
A Achse a Winkel
D Versatz
V vertikale Richtung
Schnittebene S
I, II, VII Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Kalibrierungssystem (100, 100‘, 100“) für einen Energiestrahl (22) einer additiven Ferti- gungsvorrichtung (1), umfassend
- eine additive Fertigungsvorrichtung (1) mit einem Strahleintritt (25) für den Energiestrahl (22),
- eine Gasversorgung (31) zur Bereitstellung eines für eine Kalibrierung geeigneten Ga- ses,
- eine Messeinheit (35) zum Erfassen einer Strahleigenschaft des Energiestrahls (22) und
- eine Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) mit einem Hohlraum (54, 74, 94) und einer Ein- strömöffnung (41, 61 , 81) zur Einleitung des Gases in den Hohlraum (54, 74, 94), wobei
- die Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) in der additiven Fertigungsvorrichtung (1) angeordnet ist,
- der Energiestrahl (22) vom Strahleintritt (25) bis zur Messeinheit (35) im Hohlraum (54, 74, 94) umschlossen und
- das Gas für die Kalibrierung in den Hohlraum (54, 74, 94) eingeströmt wird.
2. Kalibrierungssystem nach Anspruch 1 , wobei das Gas so in den Hohlraum (54, 74, 94) geleitet wird, dass während der Kalibrierung in dem Hohlraum (54, 74, 94) eine relative Feuchte unterhalb von 5%, bevorzugt unterhalb von 4%, besonders bevorzugt unterhalb von 3% gehalten wird.
3. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gas mittels der Gasversorgung (31) der additiven Fertigungsvorrichtung (1) bereitgestellt wird.
4. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (54, 74, 94) eine variable Höhe aufweist.
5. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (54, 74) ausziehbar ist, um die Höhe zu variieren.
6. Kalibrierungssystem nach Anspruch 5, wobei die Kalibrierungshilfe (60) an zumindest einem, bevorzugt an jedem, Ende des Hohlraums (74) ein Gelenk (68, 69, 70, 71, 72, 73) aufweist, welches bevorzugt als Kugelgelenk (68, 69, 70, 71, 72, 73) ausgestaltet ist.
7. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gas mittels einer einer Anzahl von Strahleintritten (25) zugeordneten Anströmeinrichtung der additi- ven Fertigungsvorrichtung (1) bereitgestellt wird.
8. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kalibrie- rungshilfe (80) in einer bestimmungsgemäßen Position im Zusammenwirken mit einer Prozesskammerwandung der additiven Fertigungsvorrichtung (1) den Hohlraum (94) aus- bildet, wobei die Einströmöffnung (81) der Kalibrierungshilfe (80) bevorzugt an einer Gasaustrittsöffnung der Anströmeinrichtung anliegt.
9. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kalibrie- rungshilfe (40, 60, 80) selbsthaltend ausgebildet ist.
10. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kalibrie- rungshilfe (40, 60, 80) derart selbsthaltend ausgebildet ist, dass sie sich in der additiven Fertigungsvorrichtung (1) positionsfest und/oder dimensionsfest hält.
11. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das Befestigungsmittel (82, 83, 84) zur Anbringung der Kalibrierungshilfe (80) an der additiven Fertigungsvorrich- tung (1) aufweist.
12. Kalibrierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kalibrie- rungshilfe (40, 60, 80) sich in der additiven Fertigungsvorrichtung (1) über eine anteilige oder vollständige Distanz zwischen einer Fertigungsebene (7) und einem Strahleintritt (25) der additiven Fertigungsvorrichtung (1) erstreckt.
13. Verfahren zur Kalibrierung eines Energiestrahls (22) einer additiven Fertigungsvorrich- tung (1), welche einen Strahleintritt (25) umfasst, aufweisend zumindest folgende Schritte:
- Bereitstellen einer Kalibrierungshilfe (40, 60, 80), welche einen Hohlraum (54, 74, 94) und eine Einströmöffnung (41 , 61 , 81) zur Einleitung eines für die Kalibrierung geeigneten Gases umfasst,
- Einbringen der Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) in die additive Fertigungsvorrichtung (1), sodass der Energiestrahl (22) vom Strahleintritt (25) bis zu einer Messeinheit (35) vom Hohlraum (54, 74, 94) umschlossen ist,
- Beströmung des Hohlraums (54, 74, 94) der Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) mit dem Gas und - Durchführung der Kalibrierung des Energiestrahls (22), wobei die Messeinheit (35) eine Strahleigenschaft des Energiestrahls (35) erfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei zur Kalibrierung eine Strahlleistung, eine Intensi- tätsverteilung, eine Fokusposition, eine Fokusgeometrie und/oder ein Ansprechverhalten des Energiestrahls als Strahleigenschaft des Energiestrahls (22) erfasst wird.
15. Verwendung einer Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) zur Kalibrierung eines Energiestrahls (22) einer additiven Fertigungsvorrichtung (1), wobei - die Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) mit ihrem Hohlraum (54, 74, 94) in die additive Ferti- gungsvorrichtung (1) eingebracht wird, sodass der Energiestrahl (22) vom Strahleintritt (25) bis zu einer Messeinheit (35) vom Hohlraum (54, 74, 94) umschlossen ist,
- der Hohlraum (54, 74, 94) der Kalibrierungshilfe (40, 60, 80) mit einem für die Kalibrie- rung geeigneten Gas beströmt wird und - die Kalibrierung des Energiestrahls (22) durchgeführt wird, wobei die Messeinheit (35) eine Strahleigenschaft des Energiestrahls (22) erfasst.
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