WO2017137022A1 - Analyse von laserstrahlen in anlagen für generative fertigung - Google Patents

Analyse von laserstrahlen in anlagen für generative fertigung Download PDF

Info

Publication number
WO2017137022A1
WO2017137022A1 PCT/DE2017/000011 DE2017000011W WO2017137022A1 WO 2017137022 A1 WO2017137022 A1 WO 2017137022A1 DE 2017000011 W DE2017000011 W DE 2017000011W WO 2017137022 A1 WO2017137022 A1 WO 2017137022A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sampling module
measuring device
coordinate
machining
plane
Prior art date
Application number
PCT/DE2017/000011
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard Kramer
Otto MÄRTEN
Stefan Wolf
Roman Niedrig
Original Assignee
Primes Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Primes Gmbh filed Critical Primes Gmbh
Priority to US16/306,430 priority Critical patent/US11911852B2/en
Publication of WO2017137022A1 publication Critical patent/WO2017137022A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/705—Beam measuring device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/31—Calibration of process steps or apparatus settings, e.g. before or during manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/49—Scanners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/042—Automatically aligning the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • B29C64/135—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0266—Field-of-view determination; Aiming or pointing of a photometer; Adjusting alignment; Encoding angular position; Size of the measurement area; Position tracking; Photodetection involving different fields of view for a single detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0411—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using focussing or collimating elements, i.e. lenses or mirrors; Aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0414—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or plane beam-splitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4228—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • G01J2001/4261—Scan through beam in order to obtain a cross-sectional profile of the beam
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for beam analysis of energy beams, in particular laser beams, in systems for the additive production of components by layerwise solidification of a building material by means of energy radiation.
  • the invention is also suitable for calibrating a plant for additive manufacturing or a beam deflecting device.
  • BACKGROUND OF THE INVENTION Generative manufacturing methods enable the production of complex shaped three-dimensional components in one piece.
  • a cycle of three steps is usually repeated several times: 1. lowering a component platform by the layer thickness, 2. application of the mostly powdered building material in a thin layer, 3. selective solidification of the building material by means of an energy beam or laser beam, the eg line-wise or meander-shaped at the points over the layer is guided, which form the contour and the volume of the resulting component.
  • the solidification is usually carried out by melting and "caking" (sintering) of the building material (powder) with the underlying layer, and such processes are therefore also referred to as “selective laser melting” (SLM).
  • SLM selective laser melting
  • the quality of the finished component depends to a significant extent on the uniformity and reproducibility of the energy beam used for solidification and the beam deflection device.
  • the required uniformity and reproducibility over the entire processing area and over the entire processing time is usually not given, especially since the entire manufacturing process takes a relatively long time.
  • Thermal and other long-term influences can lead to fluctuations in the beam power or laser power, to changes in the beam diameter, and to
  • Patent No. DE 10 2007 062 129 B3 also shows a method for producing a three-dimensional object by layer-wise solidifying a building material.
  • the power of the laser used to solidify the layer is measured during the manufacturing process, and the laser power is controlled depending on the measured value.
  • a fraction of the beam is decoupled by means of a partially transparent mirror, which is arranged in the beam path in front of the beam deflecting device.
  • the disclosed method is incapable of detecting the beam power at the location of processing.
  • changes caused by the beam deflector remain unrecognized.
  • changes in the beam positioning can not be detected and corrected.
  • a device for the quality assurance of products manufactured by laser beam machining.
  • a device for detecting and recording the temperature at the processing position in real time proposed during processing.
  • the determination of the temperature by means of an IR-sensitive optical detector, such as a pyrometer.
  • the laser parameters are controlled in real time based on the acquired data.
  • the beam positioning in the processing plane has a direct influence on the accuracy, dimensional accuracy and dimensional accuracy of the components to be manufactured.
  • the beam positioning therefore usually has to be calibrated.
  • a customary for calibration process shows, for example, EP 0 792 481 Bl.
  • a method and apparatus for calibrating the laser beam deflection control for rapid prototyping systems is disclosed.
  • a test pattern such as a coordinate grid, generated by irradiating a photosensitive medium with a laser beam at predetermined target positions.
  • the test image is digitized and the actual positions compared with the desired positions, from which correction data for the control are obtained.
  • the method therefore requires accessibility to the processing level.
  • the disclosed method can not be used for detecting the change of beam position data during the manufacturing process in the generative manufacturing, that is online, because in the generative production, the processing level is not normally accessible even between individual layer solidification steps.
  • no other beam data, such as the beam power can be determined with the method.
  • EP 2 280 816 Bl discloses a further method and apparatus for calibrating an irradiation device.
  • an image converter plate is used which emits detectable light when the irradiation device irradiates predetermined positions of the image converter plate.
  • the image converter plate may, for example, have a shadow mask.
  • the image converter plate is scanned with the irradiation device and from the detection of the detectable light coordinates are determined, which are compared with predetermined reference coordinates. For this, the image converter plate must be arranged in the processing plane.
  • the disclosed method is suitable for calibrating the irradiation device prior to starting a manufacturing process.
  • the known methods for process control in systems for additive manufacturing therefore relate, for example, on the one hand controls the solidification process by controlling process parameters depending on, for example thermal measurements in the make coat or at the processing site, or else control of the built-up coat for surface imperfections, pores, poor bond, and the like.
  • the known methods are not able to detect the possible causes of deficient layer structure, which often come through changes or variations of the beam parameters state.
  • a method for determining at least one beam datum in a system for the additive production of components by means of stratified solidification of a building material by an energy beam is proposed.
  • the plant for additive manufacturing has a beam deflection device, a processing plane and a layer-application device.
  • the method includes the following method steps.
  • a beam stop is positioned in the beam path between the beam deflector and at least one selected machining coordinate in the machining plane.
  • a beam sampling module is positioned in the beam path between the beam deflector and the selected processing coordinate in the processing plane.
  • the beam deflector is aligned to the selected machining coordinate.
  • the energy beam is turned on for a limited time.
  • At least a portion of the beam directed by the beam deflector toward the selected machining coordinate is directed to a measuring device having a radiation detector.
  • At least one blasting date is determined by means of the measuring device.
  • the beam stop and the beam Sampling module positioned at a distance from the working plane.
  • a method is provided in which at least one beam datum determined by the measuring device or a value derived therefrom is transmitted to a process control unit.
  • the beam sampling module is positioned at a position corresponding to the selected machining coordinate and the corresponding position in at least one of the coordinate axes x or y indicating the machining plane span, matches the selected machining coordinate.
  • the positioning of the beam barrier and the positioning of the beam sampling module may be coupled to the movement of the layer application device.
  • the beam deflecting means is successively aligned with a plurality of different selected machining coordinates in the machining plane and at each of the selected machining coordinates the determination of at least one beam datum is performed ,
  • the determined beam data can be used to calibrate the beam deflection device.
  • determining at least one beam datum may include determining one or more of the following parameters: beam power, beam energy, beam intensity, beam diameter, beam position in the machining plane, deviation of the beam position from the selected coordinate, axial focus position, deviation the axial focus position from the processing plane, beam deflection speed.
  • the described methods can be applied in a process for the additive production of a component by stratified solidification of a building material, wherein the determination of beam data is performed either before each construction of a single layer or at least regularly after building a plurality of layers prior to the construction of the next plurality of layers is performed.
  • the additive manufacturing plant comprises a beam deflector, a processing plane, and a layer applicator.
  • the device includes a jet stop, a jet sampling module and a measuring device.
  • the jet barrier and the beam sampling module are arranged displaceably.
  • the jet barrier and the beam sampling module are positionable in the beam path between the beam deflection device and at least one selected processing coordinate in the processing plane.
  • the jet barrier and the beam sampling module are spaced at any possible positioning to the processing plane.
  • the beam sampling module is configured to direct at least a portion of the beam directed from the beam deflecting device toward the selected processing coordinate to the measuring device.
  • the measuring device has a radiation detector and is set up to determine at least one beam datum.
  • the beam sampling module is positionable in a position corresponding to the selected machining coordinate and the corresponding position in at least one of the coordinate axes x or y spanning the machining plane , matches the selected machining coordinate.
  • the beam sampling module may be coupled to a path length measuring device for detecting a position of the beam sampling module in at least one of the coordinate axes x or y.
  • the measuring device is arranged behind a Auskoppelapt, which is arranged in the beam guide of the energy beam to the beam deflecting device for coupling out of radiation from the beam sampling module in the Beam deflection device is reflected back.
  • the beam sampling module may comprise at least one beam guiding element with a segment of a partially reflecting spherical surface.
  • a center of curvature of the spherical surface may be positionable at the selected machining coordinate or at a point corresponding to the selected machining coordinate.
  • the beam sampling module includes the measuring device and the measuring device is positionable together with the beam sampling module.
  • the beam sampling module may include at least one beam guiding element or at least one deflecting mirror with an at least partially reflecting surface.
  • jet barrier and the beam sampling module by means of a linear guide, which is aligned parallel to the processing plane, from a parking position outside the beam paths out to at least one position in Beam path between the beam deflecting device and at least one selected processing coordinate in the processing plane are displaced.
  • a component of the beam-sampling module can be designed as a jet barrier at the same time.
  • the jet barrier and the beam sampling module may be coupled to the layer applicator.
  • the measuring device may be configured to determine one or more of the following parameters: beam power, beam energy, beam intensity, beam diameter, beam position in the processing plane, deviation of the beam position from the selected coordinate, axial focus position, deviation of the axial focus position of the machining plane, beam deflection speed.
  • Figure 1 A schematic representation of the invention in a plant for additive manufacturing. Several possibilities for arranging the measuring device are shown together in this figure.
  • Figure 2 A schematic representation of the invention in an embodiment with a first possibility for the arrangement of the measuring device and with a first embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 3 A schematic, partially-perspective view of the invention in an embodiment with a first possibility for the arrangement of the measuring device and with a second embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 4 A schematic representation of the invention in an embodiment with a first possibility of the arrangement of the measuring device and with a third embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 5 A schematic, partially-perspective view of the invention in an embodiment with a first possibility of the arrangement of the measuring device and with a fourth embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 6 A schematic representation of the invention in an embodiment with a first possibility of the arrangement of the measuring device and with a fifth embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 7 A schematic, partially-perspective view of the invention in an embodiment similar to Figure 6 with a first possibility of the arrangement of the measuring device and with a sixth embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 8 A schematic, partially-perspective view of the invention in an embodiment similar to Figure 6 with a first possibility of the arrangement of the measuring device and with a sixth embodiment of the beam-sampling module, which is displaceable in the same direction like the layer applicator.
  • Figure 9 A schematic representation of the invention in an embodiment with a first possibility of the arrangement of the measuring device and with a seventh embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 10 A schematic representation of the invention in an embodiment with a second possibility of the arrangement of the measuring device and with an eighth embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 11 A schematic representation of the invention in an embodiment with a third possibility of the arrangement of the measuring device and with a ninth embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 12 A schematic representation of the invention in an embodiment with a fourth possibility of the arrangement of the measuring device and with a ninth embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 13 A schematic representation of the invention in an embodiment with a third possibility of the arrangement of the measuring device and with a tenth embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 14 A schematic representation of the invention in an embodiment with a third possibility of the arrangement of the measuring device and with an eleventh embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 15 A schematic representation of the invention in an embodiment with a second possibility of the arrangement of the measuring device and with a twelfth embodiment of the beam-sampling module.
  • Figure 16a A schematic representation of the invention in a
  • Figure 16b A schematic representation of the invention in a
  • Figure 17a A schematic representation of the invention in a
  • FIG. 17b A schematic representation of the invention in an embodiment with a second possibility of the arrangement of the measuring device and with a fourteenth embodiment of the beam sampling module, the beam sample removal module in a position for measurement a deflected in -x direction beam.
  • Figure 18 A schematic representation of the invention in an embodiment with a second possibility of the arrangement of the measuring device and with a fifteenth embodiment of the beam-sampling module.
  • FIG. 1 shows the invention in a schematic representation.
  • a system for the additive fabrication of components 70 by stratifying a build material 55 by an energy beam 30 typically includes a component platform 50 on which the device 70 is stacked, a beam deflector 40, and a layer applicator 60 Manufacturing process, the component platform 50 is first lowered by the thickness of a layer. Then, a layer of building material 55, e.g. may be powdered, applied from a reservoir 51 by means of a layer applicator 60 on the lowered component platform 50 or on the previously solidified layer. In this case, excess building material 55 can be collected in a reservoir 52 for excess building material.
  • the coating applicator 60 may be e.g.
  • the beam deflector 40 may include at least one, usually two, scanner mirrors 42 for redirecting and aligning the beam 30 and a scanning lens 43 for focusing the beam 30.
  • the focused laser beam 31, 32 forms a beam focus 35 in the processing plane 45.
  • the period before or after the solidification of a layer is preferably used, for example the period in which the layer is applied.
  • a jet barrier 17 and a beam sampling module 20 slidably disposed.
  • the invention further comprises a measuring device 10 with a radiation detector 12.
  • the measuring device 10 can be arranged at different points in the system. The alternatively possible arrangements of the measuring device 10 are shown in FIG. 1 by reference numerals 10a, 10b and 10c.
  • the measuring device 10 may be arranged in a first possible arrangement (reference numeral 10a) behind a Auskoppelapt 15, which is arranged in this possible arrangement in the Strahlzufiihrung the laser beam 30 to the beam deflecting device 40.
  • the measuring device 10 in this first possible arrangement further comprises means 14 for focusing, such as a lens.
  • the beam sampling module 20 in this embodiment comprises at least one beam guiding element 22.
  • the measuring device 10 may be a component of the beam sampling module 20.
  • the measuring device 10 may be disposed at a position outside of the processing space which is defined by the possible beam paths, e.g. the focused laser beams 31, 32 are defined between the beam deflecting device 40 and the processing plane 45.
  • the beam sampling module 20 may comprise a deflection mirror in this embodiment.
  • the beam stop 17 and the beam sampling module 20 are shifted to a position in the beam path of the focused laser beam 32 between the beam deflection device 40 and a selected machining coordinate 44 in the machining Level 45 is located.
  • the beam sampling module 20 the laser beam 32 or at least one beam portion 36 is guided from the focused laser beam 32 to the measuring device 10. From a signal of the radiation detector 12 at least one beam data is determined.
  • the beam sampling module 20 includes a Beam guiding element 22.
  • the beam guiding element 22 has an at least partially reflecting spherical surface.
  • the beam sampling module 20 is aligned such that the center of curvature of the spherical surface coincides with a selected machining coordinate 44 in the machining plane 45.
  • the beam sampling module 20 is displaceable in the direction of the coordinate axes x and y, ie parallel to the processing plane 45.
  • the beam barrier 17 can move with the beam Sample withdrawal module 20 be displaced together.
  • FIG. 3 shows an embodiment similar to that shown in FIG.
  • the beam sampling module 20 here has a plurality of beam guiding elements 22 with spherical surfaces.
  • the beam guidance elements are arranged at different positions in the direction of the coordinate axis y, so that a plurality of different machining coordinates 44 can be addressed simultaneously in the y direction.
  • the possibility of displacement of the beam sampling module 20 in the y-direction can thereby be saved.
  • For addressing different coordinates in the x direction only one shift in the x direction is needed.
  • the movement of the squeegee 60 for the coating job is also aligned in the x direction here. It is therefore possible to couple the displacement of the beam sampling module 20 and the beam barrier 17 with the movement of the squeegee 60.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which a plurality of beam guidance elements 22 with spherical surfaces in the direction of the coordinate axis x are arranged at different positions in the beam sampling module 20.
  • the beam sampling module 20 may be positioned centered over the processing plane 45 for the determination of beam data. If an addressing of different coordinates in the y-direction is also to take place, a tracking of the beam sampling module 20 in the y-direction is required.
  • the beam sampling module 20 may have additional beam guiding elements 22 with spherical surfaces, which additionally at different locations in the y-direction are arranged.
  • the beam guiding elements 22 are arranged here in the form of a matrix or an array in the beam sampling module 20.
  • FIG. 6 shows an embodiment similar to FIG. 4.
  • different cut-outs or segments of a spherical surface are used, which are adapted in their width to the size of the beam cross-section of the focused beam 32.
  • the individual sections of the spherical surfaces or the individual beam guiding elements 22 can be arranged particularly close to each other, so a larger number of spherical surfaces or beam guiding elements 22 can be used and thus a larger number of different processing coordinates 44 are addressed simultaneously can.
  • FIG. 7 shows an arrangement comparable to FIG. 6 in a partially perspective view.
  • the beam sampling module 20 In order to achieve addressing of different coordinates in the y direction, the beam sampling module 20 must be traceable in the y direction.
  • FIG. 8 shows an arrangement similar to FIG. 7, but in which the spherical surfaces of the beam guiding elements 22 address different coordinates in the y direction.
  • a tracking of the beam sampling module 20 is therefore required only in the x-direction to address over the entire processing level 45 distributed different processing coordinates 44.
  • the movement of the squeegee 60 for the layer application is also aligned in the x-direction. It is therefore possible to couple the displacement of the beam sampling module 20 and the beam barrier 17 with the movement of the squeegee 60.
  • FIG. 9 shows a further embodiment with the first possible arrangement of the measuring device 10 behind the outcoupling mirror 15 in the beam feed.
  • the beam sampling module 20 here comprises a plurality of beam guidance elements 22 with spherical surfaces and furthermore a deflection mirror 23 with an at least partially reflecting surface.
  • the processing plane 45 is mirrored into a virtual plane 46 corresponding to the processing plane 45.
  • the centers of curvature of the spherical surfaces of the Strahlkelungsetti 22 are here not aligned to coordinates in the processing plane 45, but to corresponding coordinates in the virtual plane 46.
  • the measuring device 10 shows an embodiment of the invention with a second possible arrangement of the measuring device 10.
  • the measuring device 10 is here part of the beam sampling module 20.
  • the beam sampling module 20 further comprises a deflection mirror 23 with an at least partially reflecting surface.
  • the deflection mirror 23 deflects a beam portion 36 from the focused beam 32.
  • the focus points of the deflected beam portions 36 lie in a virtual plane which corresponds to the processing plane 45 and which is defined by the mirroring of the focused on the processing plane 45 laser beams 31, 32 at the deflection mirror 23.
  • the measuring device 10 is arranged in the virtual plane.
  • the measuring device 10 has at least one radiation detector 12, but can also, as shown, have a plurality of radiation detectors 12 which are arranged in the virtual plane.
  • FIG. 11 shows an embodiment of the invention with a third possible arrangement of the measuring device 10.
  • the measuring device 10 is arranged in a position outside of the processing space, which is defined by the possible beam paths of the focused laser beams 31, 32 between the beam Ab steering device 40 and the processing plane 45.
  • the measuring device 10 is arranged, for example, laterally above the processing plane 45.
  • the measuring device 10 is not part of the beam sampling module 20 here and does not have to be connected to it.
  • the beam sampling module 20 comprises a deflection mirror 23 with an at least partially reflecting surface.
  • the measuring device 10 is arranged in the virtual plane, which corresponds to the processing plane 45 and which is defined by the reflection of the focused on the processing plane 45 laser beams 31, 32 at the deflection mirror 23 when the beam sampling module 20th is positioned in a measuring position in the beam path between the beam deflecting device 40 and the processing plane 45.
  • the measuring device 10 has at least one radiation detector 12, but may also have a plurality of radiation detectors 12, as shown.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of the invention with a fourth possible arrangement of the measuring device 10.
  • the beam sampling module 20 includes a deflecting mirror 23 with at least one partially reflective surface.
  • the laterally arranged outside the processing space measuring device 10 has a radiation detector 12.
  • the measuring device 10 is arranged displaceably in the embodiment shown here in a yz plane. Thereby, the radiation detector 12 can be positioned at various points in the virtual plane corresponding to the corresponding machining coordinates 44 in the machining plane 45.
  • the measuring device 10 may comprise a plurality of radiation detectors 12, which are arranged, for example, in succession in the direction of the y-axis, whereby different points along the y-coordinate axis are simultaneously addressable. Then a tracking of the measuring device 10 only along the z-axis is required to address different points corresponding to the x-axis in the processing plane 45.
  • FIG. 13 shows a further embodiment of the invention with the third possible arrangement of the measuring device 10.
  • the measuring device 10 is arranged with a radiation detector 12 at a fixed position outside the processing space.
  • the tracking of the beam portion 36, which is guided from the focused beam 32 to the detector 12, takes place here by the positioning and alignment of the beam-sampling module 20 with the deflection mirror 23.
  • the beam sampling module 20 in be arranged slidably in all three directions and also be pivotable about two spatial axes.
  • the deflection mirror 23 may have smaller dimensions in this embodiment.
  • the beam sampling module 20 includes a plurality of deflection mirrors 23. Each deflection mirror 23 directs a beam component 36 corresponding to a processing coordinate 44 in the processing plane 45 onto the detector 12 in the measuring device 10. A tracking of the beam sampling module 20 is therefore not required.
  • the beam sampling module 20 only has to be displaceable from a parking position outside the processing space to a measuring position in the beam path between the beam deflection device 40 and the processing plane 45.
  • FIG. 15 is an illustration of the invention in another embodiment with the second possibility of arranging the measuring device 10.
  • the measuring device 10 is here part of the beam sampling module 20.
  • the measuring device 10 has at least one radiation detector 12, or as shown here, a plurality of radiation detectors 12, which may be arranged, for example, at different positions in the y-direction.
  • the radiation detectors 12 are formed here for detecting a beam cross section of the focused beam 32. Tracking the beam sampling module 20 is required only in the x direction. A coupling of the tracking of the beam sampling module 20 with the movement of the doctor blade 60 is possible.
  • FIGS 16a and 16b show a further embodiment of the invention with the second possibility of the arrangement of the measuring device 10.
  • the beam sampling module 20 here comprises the measuring device 10 with a radiation detector 12 and a deflection mirror 23rd with an at least partially reflecting surface.
  • the beam sampling module 20 is arranged displaceably in both axes x and y parallel to the processing plane 45. By tracking the beam sampling module 20 in both axes x, y, each processing coordinate 44 in the processing plane 45 can thus be addressed and a beam portion 36 can be directed out of the focused beam 32 onto the detector 12.
  • the measuring device 10 may comprise a plurality of radiation detectors 12, which may be arranged behind one another, for example, in the direction of the y-axis, whereby different points along the y-coordinate axis are simultaneously addressable. Then tracking of the beam sampling module 20 only along the x-axis is required to address different points corresponding to the x-axis in the processing plane 45. In this case, the tracking of the beam sampling module 20 may be coupled to the movement of the coating applicator (squeegee) 60.
  • FIG. 16a shows the beam sample removal module 20 in a position for measuring a beam 32 deflected in the + x direction
  • FIG. 16b shows the measurement of a beam 32 deflected in the -x direction.
  • FIGS. 17a and 17b show yet another embodiment of the invention with the second possibility of arranging the measuring device 10.
  • This variant differs from the embodiment shown in FIGS. 16 a, 16 b only by a second deflection mirror, which is additionally arranged in the beam sampling module 20.
  • FIG. 17a shows the beam sample removal module 20 in a position for measuring a beam 32 deflected in the + x direction
  • FIG. 17b shows the measurement of a beam 32 deflected in the -x direction.
  • the second deflection of the beam portion 36 can be used for additional attenuation of the radiation.
  • FIG. 18 shows a further possible embodiment of the beam sampling module 20 in the case of a second possibility of arranging the measuring device 10.
  • the measuring device 10 includes a target 13 in addition to a radiation detector 12 is arranged virtual plane, which is defined by the reflection of the processing level 45 at the deflection mirror 23.
  • the target 13 is configured here by way of example as a transparent plate with a pattern of light-scattering structures. Radiation from the focused beam 32 or from the beam portion 36 which strikes the light scattering structures in the target is scattered and propagates partially within the transparent panel by total reflection. A portion of the scattered radiation is detected by the radiation detector 12.
  • no components or measuring equipment may be placed during the manufacturing process of a component.
  • a solidified layer and a layer applied to unconsolidated building material shall not be affected or altered by impinging energy radiation.
  • the manufacturing process should not be extended in time by the determination of beam data.
  • the energy beam should also be detectable during an ongoing manufacturing process, with as many as possible in the processing level relevant properties, such as. Power, diameter, position.
  • the invention finds application in systems for the additive production of components 70, in which a build-up material 55 applied in layers on a component platform 50 is solidified by means of an energy beam 30.
  • the system also has a beam deflection device 40 for positioning a beam focus 35 in a processing plane 45 and a layer application device 60.
  • the device according to the invention includes a jet barrier 17, a beam sampling module 20 and a measuring device 10.
  • the jet barrier 17 and the beam sampling module 20 are slidably disposed. During solidification of a layer with the energy beam 30, the beam stop 17 and the beam sampling module 20 are in a park position that is outside the space defined by the possible beam paths between the beam deflector 40 and the processing Plane 45 is defined so that the beam paths of the focused on the processing plane 45 focused laser beam 31, 32 are not obstructed. In order to determine at least one beam data or multiple beam data, the beam barrier 17 and the beam sampling module 20 are positioned in the beam path between the beam deflection device 40 and the processing plane 45. For this purpose, the period before or after the consolidation of a layer is used. This can be, for example, the period in which a layer of the build-up material 55 is applied by means of the layer application device.
  • the jet barrier 17 ensures that neither the laser beam 30 which is switched on to carry out a measurement nor a beam portion of the radiation transmitted, redirected or reflected by the beam sampling module 20 strikes the processing plane 45.
  • the beam barrier 17 may include, for example, a housing or a plate of non-transparent material, such as metal or ceramic.
  • the beam sampling module 20 has the function, the energy beam 32, of the beam deflection device 40 to a selected Machining coordinate 44, or at least to direct a beam portion 36 of the energy beam 32 to the measuring device 10.
  • various possibilities of the design of the beam sampling module 20 are provided.
  • various possibilities for the arrangement of the measuring device 10 and for the design of the measuring device 10 are provided.
  • the measuring device 10 may be coupled in a first proposed embodiment of the invention with the beam feed.
  • This arrangement of the measuring device 10 has the reference numeral 10a in FIG.
  • an outcoupling mirror 15 is provided in the beam feed of the energy beam 30 to the beam deflection device 40, behind which the measuring device 10 is arranged.
  • the output mirror 15 is, for example, a low-reflection mirror which decouples a fraction of the radiation which passes through the beam deflection device 40 in the rearward direction to the energy beam 30.
  • the output mirror 15 carries the decoupled radiation to the measuring device 10.
  • the measuring device 10 in this embodiment includes a radiation detector 12 and means 14 for focusing radiation, such as a lens, a lens, a lens array, a lens with adjustable focal length, a fluid lens, an axially displaceable lens, or the like.
  • a radiation detector 12 and means 14 for focusing radiation, such as a lens, a lens, a lens array, a lens with adjustable focal length, a fluid lens, an axially displaceable lens, or the like.
  • many design possibilities of the beam sampling module 20 are provided, which are shown by way of example in FIGS. 2 to 9.
  • a common feature in these embodiments is that the beam sampling module 20 has at least one beam guiding element 22 with an at least partially reflecting spherical surface.
  • the spherical surface can be any section of a spherical surface.
  • the section of the spherical surface is at least so large that the focused beam 32 directed by the beam deflection device 40 onto the machining coordinate 44 can be detected by the beam guiding element 22 with its entire cross section.
  • the beam sampling module 20 is positionable in a position corresponding to the selected processing coordinate 44. In this position, the center of curvature of the spherical surface of the beam guiding element 22 coincides either with the selected machining coordinate 44 in the machining plane 45, or with a point corresponding to the selected machining coordinate 44 in a virtual plane corresponding to the machining plane 45.
  • the corresponding virtual level can be defined If the focused energy beam or laser beam 32 is precisely aligned with the selected processing coordinate 44, then the wavefront of the focused beam 32 is concentric with the spherical surface of the beam guiding element 22. The laser beam 32 thus becomes reflected back in itself, passes through the beam deflecting device 40 backwards and is mapped after decoupling by the Auskoppelapt 15 to the detector 12 of the measuring device 10. Thus, an exact image of the laser beam focus 35 of the focused laser beam 32 in the coordinate 44 is produced on the detector 12. By way of example, the beam diameter can be determined by means of the detector 12. If the beam focus 35 is exactly aligned with the coordinate 44, then the image of the beam focus is centered on the detector 12.
  • the beam focus 35 is only slightly adjacent to the coordinate 44, eg due to a positioning error of the beam deflector 40 or due to a thermal gradient in the scan lens 43, then the wavefront is slightly displaced from the spherical surface and Beam is reflected back at a slight angle.
  • the image of the beam focus on the detector 12 is then decentered. From the lateral deviation of the image position on the detector 12, a beam position deviation in the processing plane 45 can thus be determined.
  • the beam position deviation determined in this way can be made available to the plant's process control as a correction value for the consolidation of the next layer.
  • the detector 12 is for example a spatially resolving, pixel-based sensor such as a CCD (charge coupled device) or a CMOS camera.
  • the beam sampling module 20 includes a beam guiding element 22 with only one spherical surface. Then, to detect the beam at a plurality of machining coordinates extending over the entire machining plane 45, the beam sampling module 20 must be slidable in two axes parallel to the machining plane 45.
  • FIG. 2 shows such an embodiment. The two coordinate axes spanning the processing plane 45 are labeled x and y.
  • the beam sample removal module 20 includes a plurality of beam guiding elements 22 with a spherical surface or a beam guiding element 22 with a plurality of spherical surfaces. Any spherical surface can address a machining coordinate with the associated center of curvature.
  • the beam guiding elements 22 or the spherical surfaces can be arranged, for example, along the y coordinate at different positions one behind the other in the beam sampling module 20, as shown in FIG. For detecting the beam at a plurality of points distributed over the processing plane 45, it is then sufficient to displaceably arrange the beam sample removal module 20 along the other axis, in this case along the x-axis.
  • the determination of the beam data is preferably carried out before or after the solidification of a single layer.
  • the determination of the beam data can take place in the period in which a layer of new build material 55 is applied by means of the layer applicator (doctor blade) 60.
  • the layer application device 60 is guided by means of a drive and a guide 62 over the component platform 50 lowered by one layer thickness.
  • the displacement axis of the beam sampling module 20 may be arranged parallel to the axis of the guide 62 of the coating applicator 60.
  • the displacement of the beam sample extraction module 20 may be coupled to the movement of the layer applicator 60.
  • the coupling can be timed, ie the beam sample removal module 20 can be displaced by means of its own guide and its own drive and the shift can take place simultaneously with the layer order.
  • the coupling may also be mechanical, ie, the beam sampling module 20 may be mechanically connected to the coating applicator 60.
  • the beam sample removal module 20 and the jet barrier 17 can be "piggybacked", for example, mounted on or on the layer application device 60.
  • a plurality of beam guidance elements 22 can also be in the form of a two-dimensional grid, Such a variant is shown in Figure 5. In this variant, it is sufficient for the beam sample removal module 20 and the beam barrier 17 for the measurement centrally above the processing plane 45.
  • the means for displacing the beam sample removal module 20 and the jet barrier 17 is then only required to move the beam sample removal module 20 and the beam barrier 17 out of a parking space. Move position outside the processing room in a measuring position and can be designed accordingly simpler.
  • a larger number of points or selected machining coordinates 44 can be addressed if for the spherical surfaces of the beam guide elements 22 different suitable cutouts or segments are used from a spherical surface, which are chosen only slightly larger than the beam cross section of the focused Laser beam 32.
  • the beam guiding elements 22 can then be arranged more densely, so that correspondingly a larger number of beam guiding elements 22 can be arranged in the beam sampling module 20. This possibility is shown in FIG. In the aspect of a possible first embodiment shown in FIG.
  • a plurality of elongated spherical-surface segments are arranged as beam-guiding elements 22 along the x-axis in the beam-sampling module 20. Therefore, to acquire multiple points scattered across the machining plane, no displacement along the x-axis is required, but only along the y-axis. For this purpose, the spherical surface segments must be extended correspondingly in the y direction. In order to couple the displacement meaningful with the movement of the doctor blade 60, it is, however, more favorable if the spherical surface segments are oriented in the same direction oblong, in which the doctor blade is guided over the processing plane 45, ie in the direction of X axis. Such an embodiment is shown in FIG.
  • the centers of curvature of the spherical surfaces of the beam guiding elements 22 or not are aligned not on the processing plane 45 itself, but on a virtual, corresponding to the processing plane 45 level 46.
  • the virtual corresponding Level 46 may be defined, for example, by reflection at a deflection mirror 23.
  • the beam sample removal module 20 comprises in addition to one or more beam guiding elements 22 and a deflecting mirror 23.
  • the deflecting mirror 23 has an at least partially reflecting surface on which the beam from the steering device 40 aligned focused beams 31, 32 are mirrored. The focus points of the mirrored beams then form the virtual corresponding plane 46.
  • Such a configuration may be advantageous, on the one hand to be able to dispose the beam barrier 17 as far away as possible from the processing plane 45, and also by the intensity of the radiation on the spherical surfaces to reduce the beam guiding elements 22 and finally around the spherical surfaces as close to the virtual corresponding plane 46, so that the sections of the spherical surfaces can be relatively small and therefore a large number of spherical surfaces can be arranged in a grid and a correspondingly large number of different processing coordinates 44 can be addressed.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment for this.
  • the measuring device 10 can also be arranged at different positions than at the beam feed to the beam deflection device 40 (corresponding to reference numeral 10a in FIG. 1). In a second possibility of the arrangement, the measuring device 10 can also be a component of the beam sampling module 20 (see reference numeral 10b in FIG. 1).
  • FIGS. 10, 15, 16a, 16b, 17a, 17b and 18 show exemplary embodiments.
  • the measuring device 10 is located at a fixed position outside the processing space, by the possible beam paths of the focused laser beams 31, 32 between the beam deflecting device 40th and the processing level 45 is defined.
  • the beam sampling module 20 in this case comprises at least one deflection mirror 23 with an at least partially reflecting surface. With the deflection mirror 23, a beam portion 36 is guided from the focused laser beam 32 to the measuring device 10.
  • the addressing of a plurality of points can hereby also be achieved by a plurality of radiation detectors 12 (see FIG. 11), by a displacement or tracking of the beam sampling module 20 (see FIG FIG. 13), or by a combination of both measures. It comes Yet another possible measure, illustrated in FIG.
  • the beam sampling module 20 may comprise a plurality of deflection mirrors 23 arranged at different locations at different angles in the beam sampling module 20 for beam portions 36 from the focused beams 31, 32, which are aligned with different coordinates 44 in the processing plane 45, to a detector 12 in the measuring device 10.
  • a fourth possible arrangement of the measuring device 10 results from the third arrangement, in which the measuring device 10 is not arranged at a fixed position, but displaceably outside the processing space. This embodiment is shown in FIG. This also makes it possible to detect the beam data at a plurality of points corresponding to machining coordinates 44 in the machining plane 45.
  • the measuring device 10 is part of the beam sampling module 20.
  • the radiation detector 12 of the measuring device 10 can be a spatially resolving, pixel-based sensor (CCD or CMOS camera).
  • the laser beam 30 can be operated only with very low power for the determination of beam data. Therefore, the beam sampling module 20 may further include beam attenuation means such as partially reflective mirrors, neutral density filters, or the like.
  • the beam sampling module 20 may also include mirrors disposed in front of the radiation detector 12 and directing most of the beam power to a beam catcher or absorber located outside the processing space.
  • the radiation detector 12 may be a power measuring head or designed as a so-called ballistic detector.
  • a ballistic detector essentially includes a radiation-absorbing surface coupled to a thermally-isolated volume having a defined heat capacity, and a temperature sensor coupled to the thermally-isolated volume. If a laser pulse sent to the ballistic detector, or turned on the laser beam for a limited period of time, then the absorbed energy of the beam to a temperature increase of the thermally isolated volume, from which with very high accuracy, the energy of the laser beam and thus also power can be determined.
  • the housing of the power measuring head, the ballistic detector or the beam sampling module 20, which includes the measuring head or the detector, can be designed as a jet barrier 17 at the same time.
  • the beam sampling module 20 may also include a plurality of juxtaposed power probes or ballistic detectors, which may thus determine the beam power at a plurality of points corresponding to machining coordinates 44.
  • the beam sampling module 20 may be coupled to the movement of the layer applying device 60. In this way, beam power can be measured relatively compactly and simply at a plurality of points or machining coordinates 44 distributed over the entire processing plane 45 at each layer build cycle during the manufacturing process of a component 70, without the Cycle duration and thus increase the overall production time.
  • the measured power values can be transmitted to the higher-level process control and used to adapt the laser parameters in the subsequent layer solidification.
  • the measuring device 10 may include a target 13 in addition to a radiation detector 12.
  • the target 13 is a plate having specific regions in which the interaction with radiation differs in reflection, transmission, absorption or scattering from the rest of the plate.
  • the target 13 may comprise a breadboard plate.
  • the plate may also have beam guiding properties by total reflection at the interfaces of the plate.
  • the target 13 can also be designed as a transparent plate with a pattern of light-scattering structures.
  • the radiation detector 12 may be a photodiode disposed in the vicinity of the target 13 and detecting a portion of the scattered light produced by reflection, transmission or scattering when radiation from the focused beam 32 or from the beam Portion 36 encounters the light-scattering structures or the specific areas in the target 13.
  • the light-scattering structures or the special areas may, for example, be substantially punctiform or linear.
  • a relative movement between the focused beam 32 or the beam portion 36 and the target 13 is generated. The relative movement can be generated by aligning the beam with the beam deflector 40, with the tracking of the beam sampling module 20, or with a displacement of the measuring device 10. From the signal of the radiation detector 12, for example, a Beam diameter can be determined.
  • FIG. 18 shows a possible embodiment in which the target 13 is arranged in a virtual plane which is defined by the reflection of the processing plane 45 on a deflection mirror 23.
  • a plurality of measuring devices 10 can be used in combination.
  • a beam guiding element 22 or by means of a deflecting mirror 23 usually only a very small proportion of beam 36 is guided out of the focused beam 32 onto the measuring device 10. The main portion of the radiation is then stopped by the jet barrier 17.
  • the second measuring device can be arranged, for example, between a beam guiding element 22 or a deflection mirror 23 and the jet barrier 17 and can be displaced together with the jet barrier 17 and the beam sampling module 20.
  • the second measuring device can be designed, in particular, as a power measuring head or as a so-called ballistic detector. It is also provided that the second measuring device designed as a power measuring head or as a ballistic detector simultaneously forms the beam barrier 17.
  • the beam properties can be detected position-related, which has the beam at different processing position, although not measured in the processing level itself.
  • the beam data can be quasi-online, i. during the ongoing manufacturing process, and used for process control and / or ongoing post-calibration.
  • Editing level or in the area immediately above the edit level are edits.
  • the device can be retrofitted into existing equipment for additive manufacturing.
  • the invention is not limited to the embodiments described and illustrated in the figures.
  • further conventional measures and techniques known to the person skilled in the art can be used to determine different beam data and beam parameters.
  • devices for determining a beam caustic can be used for this purpose, for example, the detector 12 or the means 14 for focusing can be mounted axially displaceable in order to scan the beam along its axis in a plurality of cross sections.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Energiestrahlen in Anlagen zur generativen Fertigung von Bauteilen (70) mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials (55) durch einen Energiestrahl (30). Die Erfindung ermöglicht eine Bestimmung von Positions-bezogenen Strahldaten direkt bezüglich der Bearbeitungsstelle während des Bearbeitungsprozesses. Eine Anlage zur generativen Fertigung weist eine Strahl-Ablenk-Einrichtung (40), eine Bearbeitungs-Ebene (45) und eine Schicht- Auftragsvorrichtung (60) auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine verschiebbar angeordnete Strahlsperre (17), ein verschiebbar angeordnetes Strahl-Probenentnahme-Modul (20) und eine Mess-Einrichtung (10) mit einem Strahlungs-Detektor (12). Das Verfahren beinhaltet die folgenden Verfahrensschritte. Die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) werden im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45) positioniert. Die Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) wird auf die ausgewählte Bearbeitungskoordinate (44) ausgerichtet und der Energiestrahl (30) wird für einen begrenzten Zeitraum eingeschaltet. Mindestens ein Anteil des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) ausgerichteten Strahls (32) wird zur Mess-Einrichtung (10) mit dem Strahlungs-Detektor (12) geleitet. Mindestens ein Strahldatum wird mittels der Mess-Einrichtung (10) bestimmt. Die Verfahrensschritte werden während eines Produktions-Prozesses des Bauteils (70) in einem Zeitraum vor oder nach der Verfestigung einer einzelnen Schicht des Bauteils (70) durchgeführt.

Description

Titel: Analyse von Laserstrahlen in Anlagen für generative Fertigung
BESCHREIBUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlanalyse von Energiestrahlen, insbesondere von Laserstrahlen, in Anlagen für die generative Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials mittels Energiestrahlung. Die Erfindung ist auch geeignet zur Kalibration einer Anlage für generative Fertigung oder einer Strahl-Ablenk-Einrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG [0002] Generative Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung von komplex geformten dreidimensionalen Bauteilen aus einem Stück. Bei den gängigen Verfahren wird üblicherweise ein Zyklus aus drei Schritten mehrfach durchlaufen: 1. Absenken einer Bauteil- Plattform um die Schichtdicke, 2. Auftragen des meist pulverförmigen Aufbaumaterials in einer dünnen Schicht, 3. selektives Verfestigen des Aufbaumaterials mittels eines Energiestrahls oder Laserstrahls, der z.B. zeilenweise oder mäanderförmig an den Stellen über die Schicht geführt wird, die die Kontur und das Volumen des entstehenden Bauteils bilden. Die Verfestigung erfolgt üblicherweise durch Aufschmelzen und„Verbacken" (Sintern) des Aufbaumaterials (Pulver) mit der darunterliegenden Schicht. Solche Verfahren werden daher auch als„selective laser melting" (SLM) bezeichnet.
[0003] Die Qualität des gefertigten Bauteils, beispielsweise hinsichtlich Homogenität, Porenfreiheit, Oberflächengüte und Maßhaltigkeit, hängt in entscheidendem Maß von der Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit des zur Verfestigung eingesetzten Energiestrahls und der Strahl-Ablenk-Einrichtung ab. Die benötigte Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit ist jedoch über den gesamten Bearbeitungs-Bereich und über die gesamte Bearbeitungszeit meist nicht gegeben, zumal der gesamte Fertigungsprozess relativ lange dauert. Durch thermische und andere Langzeit-Einflüsse kann es zu Schwankungen der Strahlleistung bzw. Laserleistung, zu Änderungen des Strahldurchmessers, und zu
BESTÄTIGUNGSKOPIE Änderungen der Strahl-Positionierung während des Fertigungsprozesses kommen. Es wird daher oftmals hoher Aufwand betrieben, um den Fertigungsprozess zu kontrollieren und zu regeln. Dennoch ist die Erfassung von Daten, insbesondere von Strahldaten an der Bearbeitungsstelle, die idealerweise zur Prozess-Steuerung benötigt werden, schwierig, ungenau, oder nicht während der Bearbeitung (d.h. online) möglich.
[0004] Aus dem Patent Nr. DE 41 12 695 C3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch Verfestigen übereinanderliegender Schichten bekannt. In dem offenbarten Verfahren werden nach der Verfestigung einer Schicht die Oberfläche oder die Kontur des Objekts gemessen. Aus einem Vergleich der Messergebnisse mit den vorgegebenen Daten des Objekts werden Korrekturwerte ermittelt, die bei der Verfestigung der nachfolgenden Schicht verwendet werden. Demnach kann das Verfahren Veränderungen im Herstellungsprozess, die durch Änderungen von Strahldaten oder Strahl-Positionsdaten verursacht werden, nur indirekt erfassen und außerdem erst dann, wenn die Änderungen sich bereits in der aufgebauten Schicht manifestieren.
[0005] Das Patent Nr. DE 10 2007 062 129 B3 zeigt ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials. Hierbei wird die Leistung des Lasers, der zum Verfestigen der Schicht eingesetzt wird, während des Herstellungsprozesses gemessen und die Laserleistung wird in Abhängigkeit vom gemessenen Wert gesteuert. Zur Messung der Leistung wird ein Bruchteil des Strahls mittels eines teiltransparenten Spiegels ausgekoppelt, der im Strahlengang vor der Strahl- Ablenkeinrichtung angeordnet ist. Demnach können mit dem Verfahren bereits kleine Änderungen in der Strahlleistung erfasst und korrigiert werden, bevor die Änderungen in der aufgebauten Schicht sichtbar werden. Jedoch ist das offenbarte Verfahren nicht in der Lage, die Strahlleistung am Ort der Bearbeitung zu erfassen. Somit bleiben Änderungen, die durch die Strahl-Ablenkeinrichtung verursacht werden, unerkannt. Weiterhin können mit dem gezeigten Verfahren Änderungen der Strahl-Positionierung nicht erfasst und korrigiert werden.
[0006] Einen anderen Ansatz zur Verbesserung eines generativen Herstellungsprozesses offenbart die DE 10 2012 221 218 Al . Es wird eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung von mittels Laserstrahlbearbeitung hergestellten Produkten gezeigt. Dazu wird eine Vorrichtung zur Ermittlung und Aufzeichnung der Temperatur an der Bearbeitungsposition in Echtzeit während der Bearbeitung vorgeschlagen. Die Ermittlung der Temperatur erfolgt mittels einem für IR-Strahlung empfindlichen optischen Detektor, z.B. einem Pyrometer. Die Laserparameter werden auf der Grundlage der ermittelten Daten in Echtzeit geregelt. Demnach können zwar die Auswirkungen von Änderungen der Strahlparameter durch die Regelung verringert werden, jedoch kann nicht ermittelt werden, ob die Temperatur- Änderungen durch Schwankungen der Laserleistung oder beispielsweise durch Änderungen des Strahldurchmessers verursacht werden. Weiterhin können auch mit diesem Verfahren keine Änderungen der Strahl-Positionierung erfasst oder korrigiert werden. [0007] Die Strahl-Positionierung in der Bearbeitungs-Ebene hat unmittelbaren Einfluss auf die Genauigkeit, Maßhaltigkeit und Formtreue der zu fertigenden Bauteile. Die Strahl- Positionierung muss deshalb üblicherweise kalibriert werden. Ein zur Kalibration übliches Verfahren zeigt beispielsweise die EP 0 792 481 Bl . Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung der Steuerung zur Ablenkung eines Laserstrahls für Rapid- Prototyping- Systeme offenbart. Dabei wird ein Testbild, z.B. ein Koordinatenraster, durch Bestrahlen eines lichtempfindlichen Mediums mit einem Laserstrahl an vorgegebenen Sollpositionen erzeugt. Mit einer Bildaufnahmeeinrichtung wird das Testbild digitalisiert und die Ist-Positionen mit den Sollpositionen verglichen, woraus Korrekturdaten für die Steuerung gewonnen werden. Das Verfahren benötigt demnach eine Zugänglichkeit zur Bearbeitungs- Ebene. Deshalb kann das offenbarte Verfahren nicht zur Erfassung der Änderung von Strahl- Positionsdaten während des Herstellungsprozesses bei der generativen Fertigung eingesetzt werden, also online, da bei der generativen Fertigung die Bearbeitungs-Ebene auch zwischen einzelnen Schicht- Verfestigungsschritten normalerweise nicht zugänglich ist. Zudem können mit dem Verfahren keine anderen Strahldaten wie beispielsweise die Strahlleistung ermittelt werden.
[0008] Verfahren und Vorrichtungen zur Positions-bezogenen Erfassung von Strahldaten zeigen beispielsweise die US 6,501,061 Bl und die DE 10 2011 006 553 AI. In diesen Verfahren werden Aperturen oder Lochblenden mit einem nachgeordneten oder darunter angebrachten Detektor an verschiedenen Positionen in der Bearbeitungs-Ebene angeordnet. Die Aperturen oder Lochblenden werden vom Laserstrahl mittels der Strahl-Ablenk- Einrichtung abgetastet. Aus dem Detektor-Signal und der Korrelation mit der Steuerung der Strahl-Ablenk-Einrichtung können verschiedene Positions-bezogene Werte ermittelt werden wie z.B. die Strahl-Position, der Strahldurchmesser oder das Strahlprofil. Die Anordnung von Aperturen, Lochblenden und Detektoren in der Bearbeitungs-Ebenen und darunter erfordert eine freie Zugänglichkeit im Bearbeitungs-Bereich. Demnach sind die offenbarten Vorrichtungen zwar zur Kalibration einer Strahl-Ablenk-Einrichtung vor der Bearbeitung einsetzbar, jedoch nicht zur online-Erfassung bei einem generativen Fertigungsprozess geeignet.
[0009] Aus der EP 2 280 816 Bl ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Bestrahlungsvorrichtung bekannt. In diesem Verfahren wird eine Bildwandlerplatte eingesetzt, die detektierbares Licht abgibt, wenn die Bestrahlungsvorrichtung vorbestimmte Positionen der Bildwandlerplatte bestrahlt. Die Bildwandlerplatte kann beispielsweise eine Lochmaske aufweisen. Die Bildwandlerplatte wird mit der Bestrahlungsvorrichtung abgetastet und aus dem Erfassen des detektierbaren Lichts werden Koordinaten bestimmt, die mit vorgegebenen Referenzkoordinaten verglichen werden. Dazu muss die Bildwandlerplatte in der Bearbeitungs-Ebene angeordnet werden. Demnach ist das offenbarte Verfahren zwar geeignet zur Kalibration der Bestrahlungs Vorrichtung vor Beginn eines Herstellungsprozesses. Jedoch ist auch dieses Verfahren nicht zur online-Erfassung der Änderung von Strahl-Positionsdaten geeignet; die Ermittlung anderer Strahldaten wie der Strahlleistung ist nicht vorgesehen. [0010] Die bekannten Vorrichtungen zur Strahl- Analyse oder zur Positions-Kalibration der Strahl-Positionier-Einrichtung bzw. der Strahl-Ablenk-Einrichtung in Laserbearbeitungs- Anlagen mit positionierbarem Energiestrahl oder Laserstrahl, wie beispielsweise in Scanner- Anlagen, benötigen demnach die Anordnung eines Messmittels oder einer Positionsselektiven Einrichtung direkt in der Bearbeitungs-Ebene. Solche Vorrichtungen sind jedoch für die Strahl-Kontrolle oder Prozess-Kontrolle in Anlagen für generative Fertigung während des Fertigungsprozesses nicht geeignet, da in diesen Anlagen die Bearbeitungs-Ebene, also die Ebene des Schicht-Aufbaus, nicht zugänglich ist. Auch der Bereich unmittelbar über der Schicht-Aufbau-Ebene ist im Zeitraum zwischen zwei Schicht-Aufbauten nicht zugänglich, da dieser Bereich für die Auftrags- Vorrichtung des Schicht-Aufbaumaterials freigehalten werden muss.
[0011] Die bekannten Verfahren zur Prozess-Kontrolle in Anlagen für die generative Fertigung betreffen demnach beispielsweise einerseits Steuerungen des Verfestigungs- Prozesses durch Regelung von Prozess-Parametern in Abhängigkeit von beispielsweise thermischen Messungen in der Aufbauschicht oder an der Bearbeitungsstelle, oder andererseits eine Kontrolle der aufgebauten Schicht auf Fehler hinsichtlich der Oberfläche, Poren, mangelhafte Anbindung, und ähnlichem. Die bekannten Verfahren sind jedoch nicht in der Lage, die möglichen Ursachen für einen mangelbehafteten Schichtaufbau zu erfassen, die oftmals durch Änderungen oder Schwankungen der Strahlparameter zustand kommen.
[0012] Aus dem Stand der Technik sind demnach keine Vorrichtungen oder Verfahren bekannt, welche in der Lage sind, verschiedene Positions-bezogene Strahldaten während des lang andauernden Bearbeitungsprozesses in Anlagen für generative Fertigung direkt bezüglich der Bearbeitungsstelle zu erfassen und auf Grundlage dieser Strahldaten den Bearbeitungsprozess zu optimieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG [0013] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Bestimmung von Positions-bezogenen Strahldaten direkt bezüglich der Bearbeitungsstelle während des Bearbeitungsprozesses in Anlagen für generative Fertigung ermöglichen. [0014] Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums in einer Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials durch einen Energiestrahl vorgeschlagen. Die Anlage zur generativen Fertigung weist eine Strahl-Ablenk-Einrichtung, eine Bearbeitungs-Ebene und eine Schicht- Auftrags Vorrichtung auf. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Verfahrensschritte. Eine Strahlsperre wird im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk- Einrichtung und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene positioniert. Ein Strahl-Probenentnahme-Modul wird im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene positioniert. Die Strahl-Ablenk-Einrichtung wird auf die ausgewählte Bearbeitungskoordinate ausgerichtet. Der Energiestrahl wird für einen begrenzten Zeitraum eingeschaltet. Mindestens ein Anteil des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate ausgerichteten Strahls wird zu einer Mess- Einrichtung mit einem Strahlungs-Detektor geleitet. Mindestens ein Strahldatum wird mittels der Mess-Einrichtung bestimmt. Dabei werden die Strahlsperre und das Strahl- Probenentnahme-Modul beabstandet zur Bearbeitungsebene positioniert. Die vorbenannten Verfahrensschritte werden während eines Produktions-Prozesses des Bauteils in einem Zeitraum vor oder nach der Verfestigung einer einzelnen Schicht des Bauteils durchgeführt. [0015] In einem möglichen Verfahren können die vorbenannten Verfahrensschritte im Wesentlichen während des Auftragens einer Schicht des Aufbaumaterials durchgeführt werden.
[0016] Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem mindestens ein mittels der Mess- Einrichtung bestimmtes Strahldatum oder ein daraus abgeleiteter Wert an eine Prozess- Steuerungs-Einheit übermittelt wird.
[0017] Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Strahl-Probenentnahme-Modul in einer zu der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate entsprechenden Position positioniert wird und die entsprechende Position in wenigstens einer der Koordinaten- Achsen x oder y, welche die Bearbeitungs-Ebene aufspannen, mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate übereinstimmt.
[0018] In einem möglichen Verfahren kann das Positionieren der Strahlsperre und das Positionieren des Strahl-Probenentnahme-Moduls mit der Bewegung der Schicht- Auftragsvorrichtung gekoppelt sein.
[0019] Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Strahl-Ablenk-Einrichtung nacheinander auf eine Mehrzahl von verschiedenen ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten in der Bearbeitungs-Ebene ausgerichtet wird und bei jeder der ausgewählten Bearbeitungs- Koordinaten die Bestimmung mindestens eines Strahldatums durchgeführt wird.
[0020] In einem weiteren Verfahren können die bestimmten Strahldaten zur Kalibration der Strahl-Ablenk-Einrichtung herangezogen werden.
[0021] Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Bestimmung von Strahldaten für eine Mehrzahl von verschiedenen ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten im Wesentlichen während eines einzelnen Schicht-Auftrags-Vorgangs durchgeführt wird. [0022] Bei den beschriebenen Verfahren kann das Bestimmen mindestens eines Strahldatums das Bestimmen von einem oder mehreren der folgenden Parameter beinhalten: Strahlleistung, Strahlenergie, Strahlintensität, Strahldurchmesser, Strahlposition in der Bearbeitungs-Ebene, Abweichung der Strahlposition zur ausgewählten Koordinate, axiale Fokusposition, Abweichung der axialen Fokusposition von der Bearbeitungs-Ebene, Strahl- Ablenkgeschwindigkeit.
[0023] Die beschriebenen Verfahren können in einem Prozess zur generativen Fertigung eines Bauteils mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei die Bestimmung von Strahldaten entweder vor jedem Aufbau einer einzelnen Schicht durchgeführt wird oder zumindest regelmäßig nach Aufbau einer Mehrzahl von Schichten vor dem Aufbau der nächsten Mehrzahl von Schichten durchgeführt wird.
[0024] Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums in einer Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials durch einen Energiestrahl vorgeschlagen. Die Anlage zur generativen Fertigung weist eine Strahl-Ablenk-Einrichtung, eine Bearbeitungs-Ebene und eine Schicht-Auftragsvorrichtung auf. Die Vorrichtung beinhaltet eine Strahlsperre, ein Strahl-Probenentnahme-Modul und eine Mess-Einrichtung. Dabei sind die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul verschiebbar angeordnet. Die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul sind positionierbar im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs- Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene. Die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme- Modul sind in jeder möglichen Positionierung beabstandet zur Bearbeitungs-Ebene. Das Strahl-Probenentnahme-Modul ist eingerichtet zum Leiten mindestens eines Anteils des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate ausgerichteten Strahls zur Mess-Einrichtung. Die Mess-Einrichtung weist einen Strahlungs- Detektor auf und ist eingerichtet zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums. [0025] Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der das Strahl-Probenentnahme-Modul in einer zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate entsprechenden Position positionierbar ist und die entsprechende Position in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y, welche die Bearbeitungs-Ebene aufspannen, mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate übereinstimmt. [0026] Das Strahl-Probenentnahme-Modul kann mit einer Weglängen-Mess-Einrichtung gekoppelt sein zur Erfassung einer Position des Strahl-Probenentnahme-Moduls in wenigstens einer der Koordinaten- Achsen x oder y.
[0027] Es ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Mess-Einrichtung angeordnet ist hinter einem Auskoppelspiegel, der in der Strahlführung des Energiestrahls zur Strahl-Ablenk-Einrichtung angeordnet ist zur Auskopplung von Strahlung, die vom Strahl- Probenentnahme-Modul in die Strahl-Ablenk-Einrichtung zurückreflektiert wird.
[0028] Das Strahl-Probenentnahme-Modul kann mindestens ein Strahlführungselement mit einem Segment einer teilreflektierenden sphärischen Fläche umfassen. Dabei kann ein Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche positionierbar sein an der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate oder an einem zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate korrespondierenden Punkt.
[0029] Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der das Strahl-Probenentnahme-Modul die Mess-Einrichtung beinhaltet und die Mess-Einrichtung zusammen mit dem Strahl- Probenentnahme-Modul positionierbar ist.
[0030] Es ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Mess-Einrichtung angeordnet ist außerhalb eines Bearbeitungs-Raumes, der durch die möglichen Strahlwege zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und der Bearbeitungs-Ebene definiert ist. [0031] Das Strahl-Probenentnahme-Modul kann mindestens ein Strahlführungselement oder mindestens einen Umlenkspiegel mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche beinhalten.
[0032] Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Strahlsperre und das Strahl- Probenentnahme-Modul mittels einer Linear-Führung, die parallel zur Bearbeitungs-Ebene ausgerichtet ist, aus einer Park-Position außerhalb der Strahlwege heraus zu mindestens einer Position im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate in der Bearbeitungs-Ebene verschiebbar sind. [0033] Ein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls kann gleichzeitig als Strahlsperre ausgelegt sein.
[0034] Die Strahlsperre und das Strahl-Probenentnahme-Modul können mit der Schicht- Auftragsvorrichtung gekoppelt sein.
[0035] Die Mess-Einrichtung kann eingerichtet sein zur Bestimmung von einem oder mehreren der folgenden Parameter: Strahlleistung, Strahlenergie, Strahlintensität, Strahldurchmesser, Strahlposition in der Bearbeitungs-Ebene, Abweichung der Strahlposition zur ausgewählten Koordinate, axiale Fokusposition, Abweichung der axialen Fokusposition von der Bearbeitungs-Ebene, Strahl- Ablenkgeschwindigkeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0036] Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:
[0037] Figur 1 : Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Anlage zur generativen Fertigung. Mehrere vorgesehene Möglichkeiten zur Anordnung der Mess-Einrichtung sind in dieser Abbildung gemeinsam dargestellt.
[0038] Figur 2: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausfuhrungsform mit einer ersten Möglichkeit zur Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer ersten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls. [0039] Figur 3: Eine schematische, teil-perspektivische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit zur Anordnung der Mess- Einrichtung und mit einer zweiten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme- Moduls.
[0040] Figur 4: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer dritten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls. [0041] Figur 5: Eine schematische, teil-perspektivische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess- Einrichtung und mit einer vierten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme- Moduls.
[0042] Figur 6: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausfuhrungsform mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer fünften Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls. [0043] Figur 7: Eine schematische, teil-perspektivische Darstellung der Erfindung in einer Ausfuhrungsform ähnlich Figur 6 mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer sechsten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls . [0044] Figur 8: Eine schematische, teil-perspektivische Darstellung der Erfindung in einer Ausfuhrungsform ähnlich Figur 6 mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer sechsten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls, das in der gleichen Richtung verschiebbar ist wie die Schicht-Auftragsvorrichtung.
[0045] Figur 9: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausfuhrungsform mit einer ersten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer siebten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls. [0046] Figur 10: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausfuhrungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer achten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
[0047] Figur 11 : Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer dritten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer neunten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls. [0048] Figur 12: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer vierten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer neunten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls. [0049] Figur 13: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer dritten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer zehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
[0050] Figur 14: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer dritten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer elften Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
[0051] Figur 15: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer zwölften Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
[0052] Figur 16a: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer
Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess- Einrichtung und mit einer dreizehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme- Moduls, die das Strahl-Proben-Entnahme-Modul in einer Position zur Messung eines in +x-Richtung ausgelenkten Strahls zeigt.
[0053] Figur 16b: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer
Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess- Einrichtung und mit einer dreizehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-
Moduls, die das Strahl-Proben-Entnahme-Modul in einer Position zur Messung eines in -x-Richtung ausgelenkten Strahls zeigt.
[0054] Figur 17a: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer
Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-
Einrichtung und mit einer vierzehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme- Moduls, die das Strahl-Proben-Entnahme-Modul in einer Position zur Messung eines in +x-Richtung ausgelenkten Strahls zeigt. [0055] Figur 17b: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess- Einrichtung und mit einer vierzehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme- Moduls, die das Strahl-Proben-Entnahme-Modul in einer Position zur Messung eines in -x-Richtung ausgelenkten Strahls zeigt.
Figur 18: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung und mit einer fünfzehnten Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0057] Figur 1 zeigt die Erfindung in einer schematischen Darstellung. Eine Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen 70 mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials 55 durch einen Energiestrahl 30 beinhaltet typischerweise eine Bauteilplattform 50, auf der das Bauteil 70 schichtweise aufgebaut wird, eine Strahl- Ablenk- Einrichtung 40, und eine Schicht-Auftragsvorrichtung 60. Während eines Fertigungs- Prozesses wird zunächst die Bauteilplattform 50 um die Dicke einer Schicht abgesenkt. Dann wird eine Schicht des Aufbaumaterials 55, das z.B. pulverförmig sein kann, aus einem Reservoir 51 mittels einer Schicht- Auftragsvorrichrung 60 auf die abgesenkte Bauteilplattform 50 bzw. auf die zuvor verfestigte Schicht aufgetragen. Dabei kann überschüssiges Aufbaumaterial 55 in einem Reservoir 52 für überschüssiges Aufbaumaterial aufgefangen werden. Die Schicht- Auftragsvorrichtung 60 kann z.B. eine Rakel sein, die mittels eines Antriebs und einer Führung 62 parallel zur Bearbeitungs-Ebene 45 über die Bauteilplattform 50 fahrbar ist. Anschließend wird zum Verfestigen ein Energiestrahl oder Laserstrahl 30 mittels der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 selektiv über die Stellen der Schicht geführt, die die Kontur und das Volumen des zu fertigenden Bauteils 70 bilden. Die Strahl- Ablenk-Einrichtung 40 kann beispielsweise mindestens einen, üblicherweise zwei Scanner- Spiegel 42 zum Umlenken und Ausrichten des Strahls 30 und ein Scan-Objektiv 43 zum Fokussieren des Strahls 30 umfassen. Der fokussierte Laserstrahl 31, 32 bildet in der Bearbeitungs-Ebene 45 einen Strahlfokus 35 aus.
[0058] Zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums oder mehrerer Strahldaten wird vorzugsweise der Zeitraum vor oder nach dem Verfestigen einer Schicht genutzt, beispielsweise der Zeitraum, in dem die Schicht aufgetragen wird. Dazu sind in der Anlage eine Strahlsperre 17 und ein Strahl-Probenentnahme-Modul 20 verschiebbar angeordnet. Die Erfindung umfasst weiterhin eine Mess-Einrichtung 10 mit einem Strahlungs-Detektor 12. Die Mess-Einrichtung 10 kann je nach Ausfiihrungsform der Erfindung an verschiedenen Stellen der Anlage angeordnet sein. Die alternativ möglichen Anordnungen der Mess- Einrichtung 10 sind in der Figur 1 mit den Bezugszeichen 10a, 10b und 10c dargestellt.
[0059] Die Mess-Einrichtung 10 kann in einer ersten möglichen Anordnung (Bezugszeichen 10a) hinter einem Auskoppelspiegel 15 angeordnet sein, der bei dieser möglichen Anordnung in der Strahlzufiihrung des Laserstrahls 30 zur Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 angeordnet ist. Die Mess-Einrichtung 10 umfasst in dieser ersten möglichen Anordnung weiterhin Mittel zur Fokussierung 14, wie zum Beispiel eine Linse. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst in dieser Ausführungsform mindestens ein Strahlfiihrungselement 22.
[0060] In einer zweiten möglichen Anordnung (Bezugszeichen 10b) kann die Mess- Einrichtung 10 ein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 sein.
[0061] In einer dritten möglichen möglichen Anordnung (Bezugszeichen 10c) kann die Mess- Einrichtung 10 an einer Stelle angeordnet sein, die sich außerhalb des Bearbeitungs-Raumes befindet, der durch die möglichen Strahlwege z.B. der fokussierten Laserstrahlen 31, 32 zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 definiert ist. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann in dieser Ausfuhrungsform einen Umlenkspiegel umfassen.
[0062] Zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums werden die Strahlsperre 17 und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in eine Position verschoben, die im Strahlweg des fokussierten Laserstrahls 32 zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 liegt. Mittels des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 wird der Laserstrahl 32 oder zumindest ein Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Laserstrahl 32 zur Mess-Einrichtung 10 geleitet. Aus einem Signal des Strahlungs-Detektors 12 wird mindestens ein Strahldatum bestimmt.
[0063] Figur 2 zeigt die Erfindung in einer Ausführungsform mit der ersten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10 hinter dem Auskoppelspiegel 15 in der Strahlzufiihrung. Bei der hier gezeigten Ausgestaltung umfasst das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 ein Strahlführungselement 22. Das Strahlführungselement 22 weist eine zumindest teilreflektierende sphärische Fläche auf. Zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums wird das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 so ausgerichtet, dass der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche mit einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs- Ebene 45 übereinstimmt. Zur Bestimmung von Strahldaten für mehrere Bearbeitungs- Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 ist das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in Richtung der Koordinaten-Achsen x und y verschiebbar, d.h. parallel zur Bearbeitungs-Ebene 45. Die Strahlsperre 17 kann mit dem Strahl-Probenentnahme-Modul 20 zusammen verschiebbar sein.
[0064] In Figur 3 ist eine Ausführungsform ähnlich der in Figur 2 dargestellt. Das Strahl- Probenentnahme-Modul 20 weist hier mehrere Strahlführungselemente 22 mit sphärischen Flächen auf. Die Strahlführungselemente sind in Richtung der Koordinaten-Achse y an verschiedenen Positionen angeordnet, so dass in y-Richtung mehrere verschiedene Bearbeitungs-Koordinaten 44 gleichzeitig adressiert werden können. Die Möglichkeit zur Verschiebung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in der y-Richtung kann dadurch eingespart werden. Zur Adressierung verschiedener Koordinaten in x-Richtung wird nur eine Verschiebung in x-Richtung benötigt. Die Bewegung der Rakel 60 für den Schicht- Auftrag ist hier ebenfalls in x-Richtung ausgerichtet. Es ist daher möglich, die Verschiebung des Strahl- Probenentnahme-Moduls 20 und der Strahlsperre 17 mit der Bewegung der Rakel 60 zu koppeln.
[0065] Figur 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der im Strahl-Probenentnahme-Modul 20 mehrere Strahlführungselemente 22 mit sphärischen Flächen in Richtung der Koordinaten- Achse x an verschiedenen Positionen angeordnet sind. Zur Adressierung verschiedener Koordinaten in x-Richtung wird daher keine Nachführung des Strahl-Probenentnahme- Moduls 20 in x-Richtung benötigt. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann für die Bestimmung von Strahldaten zentriert über der Bearbeitungs-Ebene 45 positioniert werden. Wenn auch eine Adressierung verschiedener Koordinaten in y-Richtung erfolgen soll, wird eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in y-Richtung benötigt.
[0066] Um die Nachfuhrung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in y-Richtung einzusparen, kann das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 zusätzliche Strahlführungselemente 22 mit sphärischen Flächen aufweisen, die zusätzlich an verschiedenen Stellen in y-Richtung angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung der Erfindung zeigt Figur 5. Die Strahlführungselemente 22 sind hier in Form einer Matrix oder eines Arrays im Strahl- Probenentnahme-Modul 20 angeordnet. [0067] In Figur 6 ist eine Ausfuhrungsform ähnlich zu Figur 4 dargestellt. Für die sphärischen Flächen der Strahlführungselemente 22 sind hier verschiedene Ausschnitte bzw. Segmente einer Kugelfläche eingesetzt, die in ihrer Breite an die Größe des Strahlquerschnitts des fokussierten Strahls 32 angepasst sind. Auf diese Weise können die einzelnen Ausschnitte der sphärischen Flächen bzw. die einzelnen Strahlführungselemente 22 besonders eng aneinander angeordnet werden, so eine größere Anzahl von sphärischen Flächen bzw. Strahlführungselementen 22 verwendet werden kann und somit eine größere Anzahl von verschiedenen Bearbeitungs-Koordinaten 44 gleichzeitig adressiert werden kann.
[0068] Figur 7 zeigt eine mit Figur 6 vergleichbare Anordnung in einer teil-perspektivischen Darstellung. Um eine Adressierung von verschiedenen Koordinaten in y-Richtung zu erreichen, muss das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in der y-Richtung nachführbar sein.
[0069] Figur 8 zeigt eine zu Figur 7 ähnliche Anordnung, bei der jedoch die sphärischen Flächen der Strahlführungselemente 22 verschiedene Koordinaten in y-Richtung adressieren. Eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 ist daher nur in x-Richtung erforderlich, um über die ganze Bearbeitungs-Ebene 45 verteilte unterschiedliche Bearbeitungs-Koordinaten 44 zu adressieren. In der gezeigten Ausführungsform ist die Bewegung der Rakel 60 für den Schicht-Auftrag ebenfalls in x-Richtung ausgerichtet. Es ist daher möglich, die Verschiebung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 und der Strahlsperre 17 mit der Bewegung der Rakel 60 zu koppeln.
[0070] In Figur 9 ist eine weitere Ausführungsform mit der ersten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10 hinter dem Auskoppelspiegel 15 in der Strahlzuführung dargestellt. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst hier mehrere Strahlführungselemente 22 mit sphärischen Flächen und weiterhin einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Durch den Umlenkspiegel 23 wird die Bearbeitungs-Ebene 45 in eine zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierende virtuelle Ebene 46 gespiegelt. Die Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Flächen der Strahlfuhrungselemente 22 sind hierbei nicht auf Koordinaten in der Bearbeitungs-Ebene 45 ausgerichtet, sondern auf korrespondierende Koordinaten in der virtuellen Ebene 46.
[0071] Figur 10 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einer zweiten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Die Mess-Einrichtung 10 ist hier Bestandteil des Strahl- Probenentnahme-Moduls 20. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst weiterhin einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Der Umlenkspiegel 23 lenkt einen Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Strahl 32 um. Die Fokus-Punkte der umgelenkten Strahl-Anteile 36 liegen in einer virtuellen Ebene, die zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondiert und die durch die Spiegelung der auf die Bearbeitungs-Ebene 45 fokussierten Laserstrahlen 31 , 32 am Umlenkspiegel 23 definiert ist. Die Mess-Einrichtung 10 ist in der virtuellen Ebene angeordnet. Die Mess-Einrichtung 10 weist mindestens einen Strahlungs-Detektor 12 auf, kann aber auch wie dargestellt eine Mehrzahl von Strahlungs- Detektoren 12 aufweisen, die in der virtuellen Ebene angeordnet sind.
[0072] In Figur 11 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit einer dritten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10 gezeigt. Hier ist die Mess-Einrichtung 10 angeordnet in einer Position außerhalb des Bearbeitungs-Raumes, der durch die möglichen Strahlwege der fokussierten Laserstrahlen 31, 32 zwischen der Strahl- Ab lenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 definiert ist. Die Mess-Einrichtung 10 ist beispielsweise angeordnet seitlich oberhalb der Bearbeitungs-Ebene 45. Die Mess-Einrichtung 10 ist hier kein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 und muss auch nicht mit dieser verbunden sein. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 umfasst einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Die Mess-Einrichtung 10 ist angeordnet in der virtuellen Ebene, die zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondiert und die durch die Spiegelung der auf die Bearbeitungs-Ebene 45 fokussierten Laserstrahlen 31, 32 am Umlenkspiegel 23 definiert ist, wenn das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in einer Mess-Position im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 positioniert ist. Die Mess-Einrichtung 10 weist mindestens einen Strahlungs-Detektor 12 auf, kann aber auch wie dargestellt eine Mehrzahl von Strahlungs-Detektoren 12 aufweisen.
[0073] Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer vierten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Wie in der Ausfuhrungsform nach Figur 11 beinhaltet das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Die seitlich außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordnete Mess-Einrichtung 10 weist einen Strahlungs-Detektor 12 auf. Die Mess-Einrichtung 10 ist in der hier gezeigten Ausfuhrungsform in einer y-z-Ebene verschiebbar angeordnet. Dadurch kann der Strahlungs-Detektor 12 an verschiedenen Punkten in der virtuellen Ebene positioniert werden, die den korrespondierenden Bearbeitungs-Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 entsprechen. Alternativ kann die Mess-Einrichtung 10 mehrere Strahlungs-Detektoren 12 aufweisen, die beispielsweise in Richtung der y- Achse hintereinander angeordnet sind, wodurch verschiedene Punkte entlang der y-Koordinaten- Achse gleichzeitig adressierbar sind. Dann ist eine Nachführung der Mess-Einrichtung 10 nur entlang der z- Achse erforderlich, um verschiedene Punkte korrespondierend zur x- Achse in der Bearbeitungs-Ebene 45 zu adressieren.
[0074] Figur 13 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit der dritten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Bei dieser Ausführungsform ist die Mess-Einrichtung 10 mit einem Strahlungs-Detektor 12 an einer festen Position außerhalb des Bearbeitungs- Raumes angeordnet. Die Nachführung des Strahl- Anteils 36, der aus dem fokussierten Strahl 32 auf den Detektor 12 geleitet wird, erfolgt hier durch die Positionierung und Ausrichtung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 mit dem Umlenkspiegel 23. Dazu muss das Strahl- Probenentnahme-Modul 20 in allen drei Raumrichtungen verschiebbar angeordnet sein und zusätzlich um zwei Raum-Achsen schwenkbar sein. Dafür kann der Umlenkspiegel 23 bei dieser Ausfuhrungsform geringere Abmessungen aufweisen.
[0075] Die in Figur 14 dargestellte Ausführungsform ist der in Figur 13 gezeigten ähnlich. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln 23. Jeder Umlenkspiegel 23 leitet einen Strahl-Anteil 36 korrespondierend zu einer Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 auf den Detektor 12 in der Mess-Einrichtung 10. Eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 ist also nicht erforderlich. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 muss lediglich aus einer Park-Position außerhalb des Bearbeitungsraumes zu einer Mess-Position im Strahlweg zwischen der Strahl- Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 verschiebbar sein.
[0076] Figur 15 ist eine Darstellung der Erfindung in einer anderen Ausführungsform mit der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Die Mess-Einrichtung 10 ist hier Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20. Die Mess-Einrichtung 10 weist mindestens einen Strahlungs-Detektor 12 auf, oder wie hier dargestellt, mehrere Strahlungs- Detektoren 12, die zum Beispiel an verschiedenen Positionen in y-Richtung angeordnet sein können. Die Strahlungs-Detektoren 12 sind hier zur Erfassung eines Strahlquerschnitts des fokussierten Strahls 32 ausgebildet. Eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 ist nur in der x-Richtung erforderlich. Eine Kopplung der Nachführung des Strahl- Probenentnahme-Moduls 20 mit der Bewegung der Rakel 60 ist möglich.
[0077] Die Figuren 16a und 16b zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Das Strahl- Probenentnahme- Modul 20 umfasst hier die Mess-Einrichtung 10 mit einem Strahlungs-Detektor 12 und einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Das Strahl- Probenentnahme-Modul 20 ist in beiden Achsen x und y parallel zur Bearbeitungs-Ebene 45 verschiebbar angeordnet. Durch eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in beiden Achsen x, y kann somit jede Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 adressiert werden und ein Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Strahl 32 auf den Detektor 12 geleitet werden. Alternativ kann die Mess-Einrichtung 10 mehrere Strahlungs-Detektoren 12 aufweisen, die zum Beispiel in Richtung der y-Achse hintereinander angeordnet sein können, wodurch verschiedene Punkte entlang der y-Koordinaten-Achse gleichzeitig adressierbar sind. Dann ist eine Nachführung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 nur entlang der x-Achse erforderlich, um verschiedene Punkte korrespondierend zur x-Achse in der Bearbeitungs-Ebene 45 zu adressieren. In diesem Fall kann die Nachführung des Strahl- Probenentnahme-Moduls 20 mit der Bewegung der Schicht-Auftragsvorrichtung (Rakel) 60 gekoppelt werden. Figur 16a zeigt das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 in einer Position zur Messung eines in +x-Richtung ausgelenkten Strahls 32, während in Figur 16b die Messung eines in -x-Richtung ausgelenkten Strahls 32 dargestellt ist.
[0078] In den Figuren 17a und 17b ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10 dargestellt. Diese Variante unterscheidet sich von der in den Figuren 16a, 16b gezeigten Ausführungsform nur durch einen zweiten Umlenkspiegel, der zusätzlich im Strahl-Probenentnahme-Modul 20 angeordnet ist. Figur 17a zeigt das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 in einer Position zur Messung eines in +x-Richtung ausgelenkten Strahls 32, während in Figur 17b die Messung eines in -x-Richtung ausgelenkten Strahls 32 dargestellt ist. Die zweite Umlenkung des Strahl- Anteils 36 kann für eine zusätzliche Abschwächung der Strahlung genutzt werden. Wenn die zweite Umlenkung wie dargestellt in derselben Ebene erfolgt wie die erste Umlenkung am Umlenkspiegel 23, dann kann dadurch eine Reduktion der Winkel- Abhängigkeit der reflektierten Strahlung erreicht werden, da eine Reflexion unter einem kleineren Winkel mit einer Reflexion unter größerem Winkel kompensiert wird und umgekehrt. Wenn die zweite Umlenkung in einer alternativen (nicht dargestellten) Ausführungsform in einer zur ersten Umlenkung am Umlenkspiegel 23 senkrechten Ebene erfolgt, also aus der Zeichenebene der Figuren 17a, 17b heraus, dann kann dadurch eine Reduktion der Polarisations-Abhängigkeit der reflektierten Strahlung erreicht werden. [0079] Figur 18 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme- Moduls 20 bei einer zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10. Die Mess- Einrichtung 10 beinhaltet hier zusätzlich zu einem Strahlungs-Detektor 12 ein Target 13, welches in einer virtuellen Ebene angeordnet ist, die durch die Spiegelung der Bearbeitungs- Ebene 45 am Umlenkspiegel 23 definiert ist. Das Target 13 ist hier beispielhaft als transparente Platte mit einem Muster aus lichtstreuenden Strukturen ausgestaltet. Strahlung vom fokussierten Strahl 32 oder vom Strahl-Anteil 36, die auf die lichtstreuenden Strukturen im Target trifft, wird gestreut und propagiert teilweise innerhalb der transparenten Platte durch Totalreflexion. Ein Teil der gestreuten Strahlung wird vom Strahlungs-Detektor 12 erfasst.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0080] Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, dass in Anlagen zur generativen Fertigung eine Analyse der Energiestrahlung in der Bearbeitungs-Ebene aufgrund der nicht vorhandenen Zugänglichkeit der Bearbeitungs-Ebene während des Fertigungsprozesses eines Bauteils nicht in der ausreichenden Genauigkeit und/oder nicht mit allen Parametern möglich ist, die für eine optimale Prozess-Steuerung benötigt werden.
[0081] Dabei sind insbesondere folgende Teil-Probleme und Aufgaben zu lösen:
a. In der Bearbeitungs-Ebene und unmittelbar darüber dürfen während des Fertigungsprozesses eines Bauteils keine Komponenten oder Messmittel angeordnet werden.
b. Eine verfestigte Schicht und eine aufgetragene Schicht unverfestigtes Aufbaumaterial dürfen nicht durch auftreffende Energiestrahlung beeinträchtigt oder verändert werden. c. Der Fertigungs-Ablauf soll durch die Bestimmung von Strahldaten möglichst nicht zeitlich verlängert werden.
d. Der Energiestrahl soll auch während eines laufenden Fertigungsprozesses erfassbar sein, und zwar mit möglichst allen in der Bearbeitungs-Ebene relevanten Eigenschaften, wie z.B. Leistung, Durchmesser, Position.
Die Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
[0082] Die Erfindung findet Anwendung in Anlagen zur generativen Fertigung von Bauteilen 70, bei denen ein schichtweise auf einer Bauteil-Plattform 50 aufgetragenes Aufbaumaterial 55 mittels eines Energiestrahls 30 verfestigt wird. Die Anlage weist dazu außerdem eine Strahl- Ablenk-Einrichtung 40 zur Positionierung eines Strahlfokus 35 in einer Bearbeitungsebene 45 und eine Schicht-Auftragsvorrichtung 60 auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine Strahlsperre 17, ein Strahl-Probenentnahme-Modul 20 und eine Mess-Einrichtung 10.
[0083] Die Strahlsperre 17 und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 sind verschiebbar angeordnet. Während der Verfestigung einer Schicht mit dem Energiestrahl 30 befinden sich die Strahlsperre 17 und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 in einer Park-Position, die außerhalb des Raumes liegt, der durch die möglichen Strahlwege zwischen der Strahl-Ablenk- Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 definiert ist, damit die Strahlwege des auf die Bearbeitungs-Ebene 45 ausgerichteten fokussierten Laserstrahls 31, 32 nicht behindert werden. Zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums oder mehrerer Strahldaten werden die Strahlsperre 17 und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 positioniert. Dazu wird der Zeitraum vor oder nach dem Verfestigen einer Schicht genutzt. Das kann beispielsweise der Zeitraum sein, in dem mittels der Schicht-Auftragsvorrichtung eine Schicht des Aufbaumaterials 55 aufgetragen wird. Die Strahlsperre 17 stellt sicher, dass weder der zur der Durchführung einer Messung eingeschaltete Laserstrahl 30 noch ein vom Strahl- Probenentnahme-Modul 20 transmittierter, umgelenkter oder reflektierter Anteil der Strahlung auf die Bearbeitungs-Ebene 45 trifft. Die Strahlsperre 17 kann dazu im einfachsten Fall beispielsweise ein Gehäuse oder eine Platte aus nicht-transparentem Material wie Metall oder Keramik beinhalten. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 hat die Funktion, den Energiestrahl 32, der von der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 auf eine ausgewählte Bearbeitungs-Koordinate 44 ausgerichtet ist, oder zumindest einen Strahl-Anteil 36 des Energiestrahls 32 auf die Mess-Einrichtung 10 zu leiten. Dazu sind verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 vorgesehen. Weiterhin sind verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung der Mess-Einrichtung 10 und zur Ausgestaltung der Mess-Einrichtung 10 vorgesehen.
[0084] Die Mess-Einrichtung 10 kann in einer ersten vorgesehenen Ausfuhrungsform der Erfindung mit der Strahlzuführung gekoppelt sein. Diese Anordnung der Mess-Einrichtung 10 hat in der Figur 1 das Bezugszeichen 10a. Bei dieser Ausführungsform ist in der Strahlzuführung des Energiestrahls 30 zur Strahl- Ablenk-Einrichtung 40 ein Auskoppelspiegel 15 vorgesehen, hinter dem die Mess-Einrichtung 10 angeordnet ist. Der Auskoppelspiegel 15 ist beispielsweise ein gering reflektierender Spiegel, der einen Bruchteil der Strahlung auskoppelt, die in rückwärtiger Richtung zum Energiestrahl 30 die Strahl- Ablenk-Einrichtung 40 durchläuft. Der Auskoppelspiegel 15 führt die auskoppelte Strahlung zur Mess-Einrichtung 10. Die Mess-Einrichtung 10 umfasst in dieser Ausführungsform einen Strahlungs-Detektor 12 und Mittel 14 zur Fokussierung von Strahlung, wie eine Linse, ein Objektiv, ein Linsen-Array, eine Linse mit verstellbarer Brennweite, eine Fluid-Linse, eine axial verschiebbare Linse, oder ähnliches. [0085] Bei der ersten Ausführungsform mit einer an die Strahlzuführung gekoppelten Mess- Einrichtung 10 sind viele Ausgestaltungsmöglichkeiten des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 vorgesehen, die beispielhaft in den Figuren 2 bis 9 gezeigt sind. Gemeinsames Merkmal bei diesen Ausführungsformen ist, dass das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 mindestens ein Strahlführungselement 22 aufweist mit einer zumindest teilreflektierenden sphärischen Fläche. Die sphärische Fläche kann ein beliebiger Ausschnitt einer Kugelfläche sein. Der Ausschnitt der Kugelfläche ist wenigstens so groß, dass der von der Strahl-Ablenk- Einrichtung 40 auf die Bearbeitungs-Koordinate 44 ausgerichtete fokussierte Strahl 32 mit seinem ganzen Querschnitt von dem Strahlführungselement 22 erfassbar ist. Das Strahl- Probenentnahme-Modul 20 ist positionierbar in einer zur ausgewählten Bearbeitungs- Koordinate 44 entsprechenden Position. In dieser Position stimmt der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche des Strahlführungselements 22 entweder überein mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45, oder mit einem zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate 44 korrespondierenden Punkt in einer zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierenden virtuellen Ebene. Die korrespondierende virtuelle Ebene kann definiert sein durch Abbildung oder Spiegelung der Bearbeitungs-Ebene 45. Wenn der fokussierte Energiestrahl oder Laserstrahl 32 exakt auf die ausgewählte Bearbeitungs-Koordinate 44 ausgerichtet ist, dann ist die Wellenfront des fokussierten Strahls 32 konzentrisch zur sphärischen Fläche des Strahlführungselements 22. Der Laserstrahl 32 wird somit in sich selbst zurückreflektiert, durchläuft die Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 rückwärts und wird nach Auskopplung durch den Auskoppelspiegel 15 auf den Detektor 12 der Mess-Einrichtung 10 abgebildet. Auf dem Detektor 12 entsteht somit ein exaktes Abbild vom Laserstrahl-Fokus 35 des fokussierten Laserstrahls 32 in der Koordinate 44. Mittels des Detektors 12 kann z.B. der Strahldurchmesser bestimmt werden. Wenn der Strahl-Fokus 35 exakt auf die Koordinate 44 ausgerichtet ist, dann ist das Bild des Strahlfokus auf dem Detektor 12 zentriert. Wenn der Strahl-Fokus 35 nur geringfügig neben der Koordinate 44 liegt, z.B. aufgrund eines Positionier-Fehlers der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40 oder aufgrund eines thermischen Gradienten im Scan-Objektiv 43, dann ist die Wellenfront gegenüber der sphärischen Fläche leicht verschoben und der Strahl wird unter einem leichten Winkel zurückreflektiert. Das Bild des Strahlfokus auf dem Detektor 12 ist dann dezentriert. Aus der seitlichen Abweichung der Bildposition auf dem Detektor 12 kann somit eine Strahl-Positions-Abweichung in der Bearbeitungs-Ebene 45 bestimmt werden. Die auf diese Weise bestimmte Strahl-Positions- Abweichung kann der Prozess-Steuerung der Anlage als Korrekturwert für die Verfestigung der nächsten Schicht zur Verfügung gestellt werden.
[0086] Der Detektor 12 ist beispielsweise ein ortsauflösender, pixelbasierter Sensor wie ein CCD (charge coupled device) oder eine CMOS-Kamera.
[0087] Im einfachsten Fall der ersten Ausführungsform beinhaltet das Strahl-Proben- Entnahme-Modul 20 ein Strahlführungselement 22 mit nur einer sphärischen Fläche. Dann muss zur Erfassung des Strahls an mehreren Bearbeitungs-Koordinaten, die sich über die ganze Bearbeitungs-Ebene 45 erstrecken, das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 in zwei Achsen parallel zur Bearbeitungs-Ebene 45 verschiebbar sein. Figur 2 zeigt eine derartige Ausfuhrungsform. Die beiden Koordinaten-Achsen, die die Bearbeitungs-Ebene 45 aufspannen, sind mit x und y bezeichnet.
[0088] In einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform beinhaltet das Strahl-Proben- Entnahme-Modul 20 mehrere Strahlführungselemente 22 mit einer sphärischen Fläche oder ein Strahlführungselement 22 mit mehreren sphärischen Flächen. Jede sphärische Fläche kann mit dem zugehörigen Krümmungsmittelpunkt eine Bearbeitung-Koordinate adressieren. Die Strahlfiihrungselemente 22 bzw. die sphärischen Flächen können zum Beispiel entlang der y- Koordinate an verschiedenen Positionen hintereinander im Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 angeordnet sein, wie in Figur 3 dargestellt. Zur Erfassung des Strahls an mehreren über die Bearbeitungs-Ebene 45 verteilten Punkten ist es dann ausreichend, das Strahl-Proben- Entnahme-Modul 20 entlang der anderen Achse verschiebbar anzuordnen, in diesem Fall also entlang der x- Achse.
[0089] Die Bestimmung der Strahldaten erfolgt vorzugsweise vor oder nach der Verfestigung einer einzelnen Schicht. Die Bestimmung der Strahldaten kann in dem Zeitraum erfolgen, in dem mittels der Schicht- Auftragsvorrichtung (Rakel) 60 eine Schicht neues Aufbaumaterial 55 aufgetragen wird. Typischerweise wird dazu die Schicht- Auftragsvorrichtung 60 mittels eines Antriebs und einer Führung 62 über die um eine Schichtdicke abgesenkte Bauteilplattform 50 geführt. Die Verschiebungs-Achse des Strahl-Proben-Entnahme-Moduls 20 kann parallel zur Achse der Führung 62 der Schicht- Auftragsvorrichtung 60 angeordnet sein. Die Verschiebung des Strahl-Proben-Entnahme-Moduls 20 kann mit der Bewegung der Schicht-Auftragsvorrichtung 60 gekoppelt sein. Die Kopplung kann zeitlich sein, d.h. das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 kann mittels einer eigenen Führung und eigenem Antrieb verschiebbar sein und die Verschiebung kann zeitgleich mit dem Schichtauftrag stattfinden. Die Kopplung kann auch mechanisch sein, d.h. das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 kann mit der Schicht-Auftragsvorrichtung 60 mechanisch verbunden sein. Das Strahl-Proben- Entnahme-Modul 20 und die Strahlsperre 17 können beispielsweise„huckepack" auf oder an der Schicht-Auftragsvorrichtung 60 montiert sein. [0090] In einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform können mehrere Strahlführungselemente 22 auch in Form eines zweidimensionalen Rasters, einer Matrix oder eines Arrays im Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 angeordnet sein. Eine derartige Variante ist in Figur 5 dargestellt. Bei dieser Variante ist es ausreichend, das Strahl-Proben-Entnahme- Modul 20 und die Strahlsperre 17 für die Messung zentral über der Bearbeitungs-Ebene 45 zu positionieren. Die Einrichtung zur Verschiebung des Strahl-Proben-Entnahme-Moduls 20 und der Strahlsperre 17 wird dann nur noch benötigt, um das Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 und die Strahlsperre 17 aus einer Park-Position außerhalb des Bearbeitungs-Raumes in eine Mess-Position zu verschieben und kann entsprechend einfacher gestaltet sein. [0091] Eine größere Anzahl von Punkten bzw. ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten 44 kann adressiert werden, wenn für die sphärischen Flächen der Strahlführungselemente 22 verschiedene geeignete Ausschnitte bzw. Segmente aus einer Kugelfläche verwendet werden, die nur geringfügig größer gewählt sind als der Strahlquerschnitt des fokussierten Laserstrahls 32. Die Strahlführungselemente 22 können dann dichter angeordnet werden, so dass entsprechend eine größere Anzahl von Strahlführungselementen 22 im Strahl- Probenentnahme-Modul 20 angeordnet werden können. Diese Möglichkeit ist in Figur 6 dargestellt. [0092] Bei dem in Figur 7 dargestellten Aspekt einer möglichen ersten Ausführungsform sind mehrere längliche Kugelflächen- Segmente als Strahlführungselemente 22 entlang der x- Achse im Strahl-Proben-Entnahme-Modul 20 angeordnet. Zur Erfassung mehrerer über die Bearbeitungs-Ebene verteilter Punkte ist daher keine Verschiebung entlang der x-Achse erforderlich, sondern nur entlang der y- Achse. Dazu müssen die Kugelflächen- Segmente in der y-Richtung entsprechend ausgedehnt sein. Um die Verschiebung sinnvoll mit der Bewegung der Rakel 60 zu koppeln, ist es allerdings günstiger, wenn die Kugelflächen- Segmente in der gleichen Richtung länglich orientiert sind, in der auch die Rakel über die Bearbeitungs-Ebene 45 geführt wird, also z.B. in Richtung der x-Achse. Eine solche Ausführungsform ist in der Figur 8 dargestellt.
[0093] In einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Flächen des oder der Strahlführungselemente 22 nicht auf die Bearbeitungs-Ebene 45 selbst ausgerichtet, sondern auf eine virtuelle, zur Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierende Ebene 46. Die virtuelle korrespondierende Ebene 46 kann beispielsweise durch Spiegelung an einem Umlenkspiegel 23 definiert sein. Eine derartige Ausführungsform zeigt Figur 9. Das Strahl-Proben- Entnahme-Modul 20 umfasst außer einem oder mehreren Strahlführungs-Elementen 22 auch einen Umlenkspiegel 23. Der Umlenkspiegel 23 hat eine zumindest teilreflektierende Fläche, an der die von der Strahl- Ab lenk-Einrichtung 40 ausgerichteten fokussierten Strahlen 31, 32 gespiegelt werden. Die Fokus-Punkte der gespiegelten Strahlen bilden dann die virtuelle korrespondierende Ebene 46. Eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, einerseits um die Strahlsperre 17 möglichst weit entfernt von der Bearbeitungs-Ebene 45 anordnen zu können, weiterhin um die Intensität der Strahlung auf den sphärischen Flächen der Strahlführungs-Elemente 22 zu reduzieren und schließlich um die sphärischen Flächen möglichst nahe an der virtuellen korrespondierenden Ebene 46 anzuordnen, so dass die Ausschnitte der sphärischen Flächen relativ klein sein können und demzufolge eine große Anzahl von sphärischen Flächen in einem Raster angeordnet werden können und eine entsprechend große Anzahl von verschiedenen Bearbeitungs-Koordinaten 44 adressiert werden kann. Figur 9 zeigt dafür ein Ausführungsbeispiel.
[0094] Die Mess-Einrichtung 10 kann auch an anderen Positionen angeordnet sein als an der Strahlzuführung zur Strahl- Ablenk-Einrichtung 40 (entsprechend Bezugszeichen 10a in Figur 1). Die Mess-Einrichtung 10 kann in einer zweiten Möglichkeit der Anordnung auch ein Bestandteil des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 sein (siehe Bezugszeichen 10b in Figur 1).
[0095] Bei der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10 gibt es ebenfalls viele Ausgestaltungsmöglichkeiten, um die Strahldaten an mehreren, zu Bearbeitungs- Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierenden Punkten zu erfassen. Die Adressierung einer Mehrzahl von Punkten kann erreicht werden durch eine Mehrzahl von Strahlungs-Detektoren 12, die in einer oder in zwei Koordinaten-Richtungen verteilt sind, oder durch eine Verschiebung des Strahl-Probenentnahme-Moduls 20 in einer oder in zwei Koordinaten-Richtungen. Beide Möglichkeiten können auch kombiniert werden, d.h. eine Mehrzahl von Detektoren kann entlang der einen Koordinaten-Richtung verteilt sein, und das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann in der anderen Koordinaten-Richtung verschiebbar oder nachführbar sein. Die Figuren 10, 15, 16a, 16b, 17a, 17b und 18 zeigen dazu Ausführungsbeispiele.
[0096] Bei einer dritten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10 befindet sich die Mess-Einrichtung 10 an einer festen Position außerhalb des Bearbeitungs-Raumes, der durch die möglichen Strahlwege der fokussierten Laserstrahlen 31, 32 zwischen der Strahl- Ablenk-Einrichtung 40 und der Bearbeitungs-Ebene 45 definiert ist. Das Strahl- Probenentnahme-Modul 20 umfasst hierbei mindestens einen Umlenkspiegel 23 mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche. Mit dem Umlenkspiegel 23 wird ein Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Laserstrahl 32 zur Mess-Einrichtung 10 geleitet. Wie bei der zweiten möglichen Anordnung der Mess-Einrichtung 10 kann auch hier die Adressierung einer Mehrzahl von Punkten erreicht werden durch eine Mehrzahl von Strahlungs-Detektoren 12 (siehe Figur 11), durch eine Verschiebung oder Nachführung des Strahl-Probenentnahme- Moduls 20 (siehe Figur 13), oder durch eine Kombination beider Maßnahmen. Es kommt noch eine weitere mögliche Maßnahme hinzu, die in Figur 14 dargestellt ist: das Strahl- Probenentnahme-Modul 20 kann eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln 23 umfassen, die an verschiedenen Orten unter verschiedenen Winkeln im Strahl-Probenentnahme-Modul 20 angeordnet sind, um Strahl- Anteile 36 aus den fokussierten Strahlen 31, 32, die auf verschiedene Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 ausgerichtet sind, auf einen Detektor 12 in der Mess-Einrichtung 10 zu leiten.
[0097] Eine vierte mögliche Anordnung der Mess-Einrichtung 10 ergibt sich aus der dritten Anordnung, in dem die Mess-Einrichtung 10 nicht an einer festen Position, sondern verschiebbar außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordnet ist. Diese Ausführungsform ist in Figur 12 gezeigt. Auch damit ist es möglich, die Strahldaten an mehreren, zu Bearbeitungs- Koordinaten 44 in der Bearbeitungs-Ebene 45 korrespondierenden Punkten zu erfassen.
[0098] In einer einfachen Ausführungsform der zweiten Möglichkeit der Anordnung der Mess-Einrichtung 10 ist die Mess-Einrichtung 10 Bestandteil des Strahl-Probenentnahme- Moduls 20. Der Strahlungs-Detektor 12 der Mess-Einrichtung 10 kann ein ortsauflösender, pixelbasierter Sensor (CCD oder CMOS-Kamera) sein. In einer solchen einfachen Ausführungsform kann für die Bestimmung von Strahldaten der Laserstrahl 30 nur mit sehr geringer Leistung betrieben werden. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann deshalb weiterhin Mittel zur Strahl-Abschwächung wie teilreflektierende Spiegel, Neutraldichte- Filter, oder ähnliches aufweisen. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann auch Spiegel aufweisen, die vor dem Strahlungs-Detektor 12 angeordnet sind und den größten Teil der Strahlleistung auf einen außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordneten Strahlfänger oder Absorber leiten.
[0099] Alternativ zu einem ortsauflösenden, pixelbasierten Sensor kann der Strahlungs- Detektor 12 ein Leistungs-Messkopf sein oder als sogenannter ballistischer Detektor ausgebildet sein. Ein ballistischer Detektor beinhaltet im wesentlichen eine Strahlungsabsorbierende Fläche, die mit einem thermisch isolierten Volumen mit einer definierten Wärmekapazität gekoppelt ist, und einen Temperatursensor, der an das thermisch isolierte Volumen gekoppelt ist. Wird ein Laserpuls auf den ballistischen Detektor geschickt, bzw. der Laserstrahl für einen begrenzten Zeitraum eingeschaltet, dann führt die absorbierte Energie des Strahls zu einer Temperatur-Erhöhung des thermisch isolierten Volumens, aus der mit sehr hoher Genauigkeit die Energie des Laserstrahls und damit auch dessen Leistung bestimmt werden kann. Das Gehäuse des Leistungs-Messkopfes, des ballistischen Detektors oder des Strahl-Proben-Entnahme-Moduls 20, das den Messkopf oder den Detektor beinhaltet, kann gleichzeitig als Strahlsperre 17 ausgelegt sein. Wie in Figur 15 dargestellt, kann das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 auch mehrere nebeneinander angeordnete Leistungs-Messköpfe oder ballistische Detektoren enthalten, die somit die Strahl-Leistung an mehreren zu Bearbeitungs-Koordinaten 44 korrespondierenden Punkten bestimmen können. Das Strahl-Probenentnahme-Modul 20 kann mit der Bewegung der Schicht-Auftrags- Vorrichtung 60 gekoppelt werden. Auf diese Weise kann relativ kompakt und einfach die Strahl-Leistung an mehreren, über die ganze Bearbeitungs-Ebene 45 verteilten Punkten bzw. Bearbeitungs-Koordinaten 44 bei jedem Schicht-Aufbau-Zyklus während des Fertigungs- Prozesses eines Bauteils 70 gemessen werden, ohne die Zyklus-Dauer und damit die Gesamt- Fertigungszeit zu erhöhen. Die gemessenen Leistungswerte können an die übergeordnete Prozess-Steuerung übermittelt werden und zur Anpassung der Laser-Parameter bei der nachfolgen Schicht- Verfestigung verwendet werden.
[00100] In einer weiteren Möglichkeit der Ausgestaltung kann die Mess-Einrichtung 10 zusätzlich zu einem Strahlungs-Detektor 12 ein Target 13 beinhalten. Das Target 13 ist eine Platte mit speziellen Bereichen, in denen sich die Wechselwirkung mit Strahlung bezüglich Reflexion, Transmission, Absorption oder Streuung vom Rest der Platte unterscheidet. Das Target 13 kann beispielsweise eine Lochraster-Platte aufweisen. Die Platte kann außerdem strahlführende Eigenschaften durch Totalreflexion an den Grenzflächen der Platte besitzen. Das Target 13 kann auch als transparente Platte mit einem Muster aus lichtstreuenden Strukturen ausgestaltet sein. Der Strahlungs-Detektor 12 kann bei diesen Ausführungsformen zum Beispiel eine Photodiode sein, die in der Umgebung des Targets 13 angeordnet ist und einen Teil des Streulichts erfasst, dass durch Reflexion, Transmission oder Streuung erzeugt wird, wenn Strahlung vom fokussierten Strahl 32 oder vom Strahl-Anteil 36 auf die lichtstreuenden Strukturen oder auf die speziellen Bereiche im Target 13 trifft. Die lichtstreuenden Strukturen oder die speziellen Bereiche können beispielsweise im Wesentlichen punktförmig oder linienförmig ausgebildet sein. Zur Bestimmung von Strahldaten wird eine Relativ-Bewegung zwischen dem fokussierten Strahl 32 oder dem Strahl-Anteil 36 und dem Target 13 erzeugt. Die Relativ-Bewegung kann durch Ausrichten des Strahls mit der Strahl-Ablenk-Einrichtung 40, mit der Nachfuhrung des Strahl- Probenentnahme-Moduls 20, oder mit einer Verschiebung der Mess-Einrichtung 10 erzeugt werden. Aus dem Signal des Strahlungs-Detektors 12 kann beispielsweise ein Strahldurchmesser ermittelt werden. Figur 18 zeigt dazu eine mögliche Ausführungsform, bei der das Target 13 in einer virtuellen Ebene angeordnet ist, die durch die Spiegelung der Bearbeitungs-Ebene 45 an einem Umlenkspiegel 23 definiert ist. [00101] Bei der Ausgestaltung der Erfindung können auch mehrere Mess- Einrichtungen 10 kombiniert eingesetzt werden. Für die Bestimmung von ortsaufgelösten Parametern wie dem Strahldurchmesser oder einer Strahl-Positions-Abweichung wird in der Regel nur ein Bruchteil der Strahlleistung benötigt. Dazu wird in den beschriebenen Anordnungen mittels eines Strahlführungselements 22 oder mittels eines Umlenkspiegels 23 meist nur ein sehr geringer Strahl-Anteil 36 aus dem fokussierten Strahl 32 auf die Mess- Einrichtung 10 geleitet. Der Haupt- Anteil der Strahlung wird dann von der Strahlsperre 17 gestoppt. Es ist daher auch vorgesehen, eine zweite Mess-Einrichtung zusätzlich zur Mess- Einrichtung 10 an der Strahlsperre 17 oder am Strahl-Probenentnahme-Modul 20 anzuordnen. Die zweite Mess-Einrichtung kann beispielsweise zwischen einem Strahlführungselement 22 oder einem Umlenkspiegel 23 und der Strahlsperre 17 angeordnet sein und ist zusammen mit der Strahlsperre 17 und dem Strahl-Probenentnahme-Modul 20 verschiebbar. Die zweite Mess-Einrichtung kann insbesondere als Leistungs-Messkopf oder als sogenannter ballistischer Detektor ausgebildet sein. Es ist auch vorgesehen, das die als Leistungs- Messkopf oder als ballistischer Detektor ausgebildete zweite Mess-Einrichtung gleichzeitig die Strahlsperre 17 bildet.
[00102] Die vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen weisen aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Merkmale eine Reihe von Vorteilen auf:
- Es können die Strahl-Eigenschaften Positions-bezogen erfasst werden, die der Strahl an verschiedenen Bearbeitungs-Position aufweist, obwohl nicht in der Bearbeitungs- Ebene selbst gemessen wird.
- Die Strahldaten können quasi-online, d.h. während des laufenden Fertigung- Prozesses, ermittelt werden und zur Prozess-Regelung und/oder zur laufenden NachKalibrierung verwendet werden.
- Es brauchen keine Komponenten der Vorrichtung oder Messmittel in der
Bearbeitungs-Ebene oder im Bereich unmittelbar über der Bearbeitungs-Ebene platziert zu werden.
- Der Bauteil-Bereich und das Aufbaumaterial werden bei der Bestimmung der Strahldaten nicht von Strahlung getroffen. - Der Prozess- Ablauf braucht nicht verändert zu werden.
- Die Fertigungs-Dauer wird nicht erhöht.
- Die Vorrichtung kann in bestehende Anlagen für generative Fertigung nachgerüstet werden.
[00103] Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen. Bei der Ausgestaltung der Mess-Einrichtung 10 beispielsweise können weitere übliche, dem Fachmann bekannte Maßnahmen und Techniken genutzt werden, um unterschiedliche Strahldaten und Strahl-Parameter zu bestimmen. Es können z.B. auch Einrichtungen zur Bestimmung einer Strahl-Kaustik verwendet werden. Dazu kann beispielsweise der Detektor 12 oder die Mittel zur Fokussierung 14 axial verschiebbar gelagert sein, um den Strahl längs seiner Achse in mehreren Querschnitten abzutasten.
Bezugszeichenliste
10 Mess-Einrichtung
10a Mess-Einrichtung, an Strahlzuführung gekoppelt
10b Mess-Einrichtung, integriert in Strahl-Probenentnahme-Modul
10c Mess-Einrichtung, außerhalb des Bearbeitungs-Raumes angeordnet
12 Strahlungs-Detektor
13 Target
14 Mittel zur Fokussierung
15 Auskoppelspiegel
17 Strahlsperre
20 Strahl-Probenentnahme-Modul
22 Strahlführungselement
23 Umlenkspiegel
30 Laserstrahl (Energiestrahl)
31 Fokussierter Laserstrahl
32 Fokussierter Laserstrahl
35 Laserstrahl-Fokus
36 Strahl-Anteil
40 Strahl- Ablenk-Einrichtung
42 Scanner-Spiegel
43 Scan-Objektiv
44 Koordinaten-Punkt in Bearbeitungs-Ebene
45 Bearbeitungs-Ebene
46 korrespondierende virtuelle Ebene
50 Bauteilplattform
51 Reservoir für Aufbaumaterial
52 Reservoir für überschüssiges Aufbaumaterial
55 Aufbaumaterial
60 Schicht- Auftragsvorrichtung (Rakel)
62 Führung und Antrieb für Rakel
70 Bauteil

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums in einer Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen (70) mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials (55) durch einen Energiestrahl (30), mit einer Strahl-Ablenk-Einrichtung (40), einer Bearbeitungs-Ebene (45) und einer Schicht-Auftragsvorrichtung (60), umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
a) Positionieren einer Strahlsperre (17) im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk- Einrichtung (40) und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45),
b) Positionieren eines Strahl-Probenentnahme-Moduls (20) im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und der ausgewählten Bearbeitungs- Koordinate (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45),
c) Ausrichten der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) auf die ausgewählte Bearbeitungskoordinate (44),
d) Einschalten des Strahls (30) für einen begrenzten Zeitraum,
e) Leiten mindestens eines Anteils des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) ausgerichteten Strahls (32) zu einer Mess-Einrichtung (10) mit einem Strahlungs-Detektor (12), f) Bestimmen mindestens eines Strahldatums mittels der Mess-Einrichtung (10),
- wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) beabstandet zur Bearbeitungsebene (45) positioniert werden, und
- wobei die Verfahrensschritte a) bis f) während eines Produktions-Prozesses des Bauteils (70) in einem Zeitraum vor oder nach der Verfestigung einer einzelnen Schicht des Bauteils (70) durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein mittels der Mess-Einrichtung (10) bestimmtes Strahldatum oder ein daraus abgeleiteter Wert an eine Prozess- Steuerungs-Einheit übermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verfahrensschritte a) bis f) im Wesentlichen während des Auftragens einer Schicht des Aufbaumaterials (55) durchgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Strahl-Probenentnahme- Modul (20) in einer zu der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) entsprechenden Position positioniert wird und die entsprechende Position in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y, welche die Bearbeitungs-Ebene (45) aufspannen, mit der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) übereinstimmt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Positionieren der Strahlsperre (17) und das Positionieren des Strahl-Probenentnahme-Moduls (20) mit der Bewegung der Schicht- Auftragsvorrichtung (60) gekoppelt sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strahl- Ablenk-Einrichtung (40) nacheinander auf eine Mehrzahl von verschiedenen ausgewählten Bearbeitungs- Koordinaten (44) in der Bearbeitungs-Ebene (45) ausgerichtet wird und bei jeder der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten (44) die Bestimmung mindestens eines Strahldatums durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die bestimmten Strahldaten zur Kalibration der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) herangezogen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Bestimmung von Strahldaten für eine Mehrzahl von verschiedenen ausgewählten Bearbeitungs-Koordinaten (44) im Wesentlichen während eines einzelnen Schicht-Auftrags-Vorgangs durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Bestimmung mindestens eines Strahldatums die Bestimmung von einem oder mehreren der folgenden Parameter umfasst: Strahlleistung, Strahlenergie, Strahlintensität, Strahldurchmesser, Strahlposition in der Bearbeitungs-Ebene, Abweichung der Strahlposition zur ausgewählten Koordinate, axiale Fokusposition, Abweichung der axialen Fokusposition von der Bearbeitungs-Ebene, Strahl- Ablenkgeschwindigkeit.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Prozess zur generativen Fertigung eines Bauteils mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbau- Materials, wobei die Bestimmung von Strahldaten entweder vor jedem Aufbau einer einzelnen Schicht durchgeführt wird oder zumindest regelmäßig nach Aufbau einer Mehrzahl von Schichten vor dem Aufbau der nächsten Mehrzahl von Schichten durchgeführt wird.
11. Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums in einer Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen (70) mittels schichtweiser Verfestigung eines Aufbaumaterials (55) durch einen Energiestrahl (30), mit einer Strahl-Ablenk-Einrichtung (40), einer Bearbeitungs-Ebene (45) und einer Schicht-Auftragsvorrichtung (60), umfassend eine Strahlsperre (17), ein Strahl-Probenentnahme-Modul (20) und eine Mess-Einrichtung (10),
- wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) verschiebbar angeordnet sind,
- wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) positionierbar sind im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) in der Bearbeitungs- Ebene (45),
- wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) in jeder möglichen Positionierung beabstandet zur Bearbeitungs-Ebene (45) sind,
- wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) eingerichtet ist zum Leiten mindestens eines Anteils des von der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) in Richtung zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) ausgerichteten Strahls (32) zur Mess- Einrichtung (10), und
- wobei die Mess-Einrichtung (10) einen Strahlungs-Detektor (12) umfasst und eingerichtet ist zur Bestimmung mindestens eines Strahldatums.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) in einer zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) entsprechenden Position positionierbar ist und die entsprechende Position in wenigstens einer der Koordinaten-Achsen x oder y, welche die Bearbeitungs-Ebene (45) aufspannen, mit der ausgewählten Bearbeitungs- Koordinate (44) übereinstimmt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Strahl- Probenentnahme-Modul (20) mit einer Weglängen-Mess-Einrichtung gekoppelt ist zur Erfassung einer Position des Strahl-Probenentnahme-Moduls (20) in wenigstens einer der Koordinaten- Achsen x oder y.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Mess-Einrichtung (10) angeordnet ist hinter einem Auskoppelspiegel (15), der in der Strahlführung des Energiestrahls (30) zur Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) angeordnet ist zur Auskopplung von Strahlung, die vom Strahl-Probenentnahme-Modul (20) in die Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) zurückreflektiert wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) mindestens ein Strahlführungselement (22) mit einem Segment einer teilreflektierenden sphärischen Fläche umfasst und wobei ein Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche positionierbar ist an der ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) oder an einem zur ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate korrespondierenden Punkt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Strahl-Probenentnahme- Modul (20) die Mess-Einrichtung (10) umfasst und die Mess-Einrichtung (10) zusammen mit dem Strahl-Probenentnahme-Modul (20) positionierbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Mess-Einrichtung (10) angeordnet ist außerhalb eines Bearbeitungs-Raumes, der durch die möglichen Strahlwege zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und der Bearbeitungs-Ebene (45) definiert ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Strahl-Probenentnahme- Modul (20) mindestens ein Strahlführungselement (22) oder mindestens einen Umlenkspiegel (23) mit einer zumindest teilreflektierenden Fläche umfasst.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) mittels einer Linear-Führung, die parallel zur Bearbeitungs-Ebene (45) ausgerichtet ist, aus einer Park-Position außerhalb der Strahlwege heraus zu mindestens einer Position im Strahlweg zwischen der Strahl-Ablenk-Einrichtung (40) und mindestens einer ausgewählten Bearbeitungs-Koordinate (44) in der Bearbeitungs- Ebene (45) verschiebbar sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei ein Bestandteil des Strahl- Probenentnahme-Moduls (20) gleichzeitig als Strahlsperre (17) ausgelegt ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei die Strahlsperre (17) und das Strahl-Probenentnahme-Modul (20) mit der Schicht-Auftragsvorrichtung (60) gekoppelt sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, wobei die Mess-Einrichtung (10) eingerichtet ist zur Bestimmung von einem oder mehreren der folgenden Parameter: Strahlleistung, Strahlenergie, Strahlintensität, Strahldurchmesser, Strahlposition in der Bearbeitungs-Ebene, Abweichung der Strahlposition zur ausgewählten Koordinate, axiale Fokusposition, Abweichung der axialen Fokusposition von der Bearbeitungs-Ebene, Strahl- Ablenkgeschwindigkeit.
PCT/DE2017/000011 2016-02-08 2017-01-25 Analyse von laserstrahlen in anlagen für generative fertigung WO2017137022A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/306,430 US11911852B2 (en) 2016-02-08 2017-01-25 Analysis of laser beams in systems for a generative manufacturing process

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016001355.9 2016-02-08
DE102016001355.9A DE102016001355B4 (de) 2016-02-08 2016-02-08 Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Laserstrahlen in Anlagen für generative Fertigung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017137022A1 true WO2017137022A1 (de) 2017-08-17

Family

ID=58347012

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2017/000011 WO2017137022A1 (de) 2016-02-08 2017-01-25 Analyse von laserstrahlen in anlagen für generative fertigung

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11911852B2 (de)
DE (1) DE102016001355B4 (de)
WO (1) WO2017137022A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110126273A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 Cl产权管理有限公司 用于校准至少一个用于添加式地制造三维物体的设备的方法
WO2019236616A1 (en) 2018-06-05 2019-12-12 Electro Scientific Industries, Inc. Laser-processing apparatus, methods of operating the same, and methods of processing workpieces using the same
CN113891776A (zh) * 2019-04-12 2022-01-04 普雷茨特两合公司 用于确定激光束的焦点位置的设备和方法
US11541604B2 (en) * 2019-06-11 2023-01-03 Sodick Co., Ltd. Method for producing three-dimensional object using movable lens with control of laser power, scan speed and beam diameter

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10618131B2 (en) 2014-06-05 2020-04-14 Nlight, Inc. Laser patterning skew correction
JP6785858B2 (ja) 2015-11-23 2020-11-18 エヌライト，インコーポレーテッド レーザ加工のための微細スケールでの時間的制御
US11179807B2 (en) 2015-11-23 2021-11-23 Nlight, Inc. Fine-scale temporal control for laser material processing
US10730785B2 (en) 2016-09-29 2020-08-04 Nlight, Inc. Optical fiber bending mechanisms
US10295845B2 (en) 2016-09-29 2019-05-21 Nlight, Inc. Adjustable beam characteristics
DE102016223215A1 (de) 2016-11-23 2018-05-24 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Bestrahlungseinrichtung und Bearbeitungsmaschine damit
EP3607389B1 (de) * 2017-04-04 2023-06-07 Nlight, Inc. Optische referenzerzeugung für die kalibrierung von galvanometrischen scannern
DE102017215973A1 (de) * 2017-09-11 2019-03-14 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Strahllage eines Laserstrahls
EP3524410B8 (de) 2018-02-07 2023-05-03 Concept Laser GmbH Vorrichtung zur generativen fertigung dreidimensionaler objekte
JP7084508B2 (ja) * 2018-06-28 2022-06-14 スリーディー システムズ インコーポレーテッド レーザ較正システムを備えた三次元プリントシステム
EP3698947A1 (de) * 2019-02-19 2020-08-26 Siemens Aktiengesellschaft Überwachung und prozessregelung einer additiven fertigung eines werkstücks
CN111421815B (zh) * 2020-02-18 2022-03-22 天津大学 一种dlp 3d生物打印机

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0792481B1 (de) 1994-10-18 1998-06-03 EOS GmbH ELECTRO OPTICAL SYSTEMS Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren einer steuerung zur ablenkung eines laserstrahls
DE4112695C3 (de) 1990-12-21 1998-07-23 Eos Electro Optical Syst Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
US6501061B1 (en) 1999-04-27 2002-12-31 Gsi Lumonics Inc. Laser calibration apparatus and method
DE102007062129B3 (de) 2007-12-21 2009-06-18 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
WO2009108543A2 (en) * 2008-02-26 2009-09-03 3M Innovative Properties Company Multi-photon exposure system
DE102011016058A1 (de) * 2011-04-01 2012-10-04 Xtreme Technologies Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung von Eigenschaften eines Strahlenbündels aus einem Plasma emittierter hochenergetischer Strahlung
DE102011006553A1 (de) 2011-03-31 2012-10-04 Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Ermitteln der Fokuslage eines Laserstrahls in seinem Arbeitsfeld oder Arbeitsraum
DE102012221218A1 (de) 2011-11-22 2013-05-23 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Vorrichtung zur Qualitätssicherung von mittels Laserstrahlbearbeitung hergestellten Produkten
EP2280816B1 (de) 2009-04-06 2013-10-30 EOS GmbH Electro Optical Systems Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren einer bestrahlungsvorrichtung
DE102013226961A1 (de) * 2013-12-20 2015-06-25 Lessmüller Lasertechnik GmbH Vorrichtung und Verfahren zur automatischen, rechnergestützten Überwachung von Laserstrahloptiken und deren Werkzeugen

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4074937A (en) * 1976-02-09 1978-02-21 Zygo Corporation Optical measuring device
US5133987A (en) * 1989-10-27 1992-07-28 3D Systems, Inc. Stereolithographic apparatus and method
US5753171A (en) 1994-05-13 1998-05-19 Eos Gmbh Electro Optical Systems Method and apparatus for producing a three-dimensional object
TW440089U (en) * 1997-07-28 2001-06-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd Gas laser oscillator
US6967779B2 (en) * 1998-04-15 2005-11-22 Bright View Technologies, Inc. Micro-lens array with precisely aligned aperture mask and methods of producing same
JP3007875B2 (ja) * 1998-04-20 2000-02-07 オー・エム・シー株式会社 レーザ出力検出方法とその装置並びに該方法を利用したレーザ出力制御方法とその装置
JP2002248592A (ja) * 2001-02-22 2002-09-03 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工装置
US6646728B1 (en) 2001-07-09 2003-11-11 3D Systems, Inc. Calibrating a focused beam of energy in a solid freeform fabrication apparatus by measuring the propagation characteristics of the beam
JP3792168B2 (ja) * 2002-03-12 2006-07-05 ナブテスコ株式会社 光学的立体造形方法および装置
US7321114B2 (en) * 2005-03-10 2008-01-22 Hitachi Via Mechanics, Ltd. Apparatus and method for beam drift compensation
US7244906B2 (en) * 2005-08-30 2007-07-17 Electro Scientific Industries, Inc. Energy monitoring or control of individual vias formed during laser micromachining
ATE466720T1 (de) 2006-06-20 2010-05-15 Univ Leuven Kath Verfahren und vorrichtung zur in-situ-überwachung und rückkopplungssteuerung selektiver laserpulverbearbeitung
DE102011079739A1 (de) * 2011-07-25 2013-01-31 Lpkf Laser & Electronics Ag Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung und Überwachung eines Kunststoff-Laserdurchstrahl-Schweißprozesses
TWI555862B (zh) * 2011-09-16 2016-11-01 V科技股份有限公司 蒸鍍遮罩、蒸鍍遮罩的製造方法及薄膜圖案形成方法
GB201316815D0 (en) * 2013-09-23 2013-11-06 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and method
CN208637788U (zh) * 2014-11-24 2019-03-22 斯特塔思有限公司 具有激光器组件的增材制造系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4112695C3 (de) 1990-12-21 1998-07-23 Eos Electro Optical Syst Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
EP0792481B1 (de) 1994-10-18 1998-06-03 EOS GmbH ELECTRO OPTICAL SYSTEMS Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren einer steuerung zur ablenkung eines laserstrahls
US6501061B1 (en) 1999-04-27 2002-12-31 Gsi Lumonics Inc. Laser calibration apparatus and method
DE102007062129B3 (de) 2007-12-21 2009-06-18 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
WO2009108543A2 (en) * 2008-02-26 2009-09-03 3M Innovative Properties Company Multi-photon exposure system
EP2280816B1 (de) 2009-04-06 2013-10-30 EOS GmbH Electro Optical Systems Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren einer bestrahlungsvorrichtung
DE102011006553A1 (de) 2011-03-31 2012-10-04 Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Ermitteln der Fokuslage eines Laserstrahls in seinem Arbeitsfeld oder Arbeitsraum
DE102011016058A1 (de) * 2011-04-01 2012-10-04 Xtreme Technologies Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung von Eigenschaften eines Strahlenbündels aus einem Plasma emittierter hochenergetischer Strahlung
DE102012221218A1 (de) 2011-11-22 2013-05-23 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Vorrichtung zur Qualitätssicherung von mittels Laserstrahlbearbeitung hergestellten Produkten
DE102013226961A1 (de) * 2013-12-20 2015-06-25 Lessmüller Lasertechnik GmbH Vorrichtung und Verfahren zur automatischen, rechnergestützten Überwachung von Laserstrahloptiken und deren Werkzeugen

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110126273A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 Cl产权管理有限公司 用于校准至少一个用于添加式地制造三维物体的设备的方法
US11426941B2 (en) 2018-02-09 2022-08-30 Concept Laser Gmbh Method for calibrating at least one apparatus for additively manufacturing three-dimensional objects
WO2019236616A1 (en) 2018-06-05 2019-12-12 Electro Scientific Industries, Inc. Laser-processing apparatus, methods of operating the same, and methods of processing workpieces using the same
EP3774166A4 (de) * 2018-06-05 2022-01-19 Electro Scientific Industries, Inc. Laserbearbeitungsvorrichtung, verfahren zu ihrem betrieb und verfahren zur bearbeitung von werkstücken unter verwendung derselben
US12011785B2 (en) 2018-06-05 2024-06-18 Electro Scientific Industries, Inc. Laser-processing apparatus, methods of operating the same, and methods of processing workpieces using the same
CN113891776A (zh) * 2019-04-12 2022-01-04 普雷茨特两合公司 用于确定激光束的焦点位置的设备和方法
CN113891776B (zh) * 2019-04-12 2024-04-26 普雷茨特两合公司 用于确定激光束的焦点位置的设备和方法
US11541604B2 (en) * 2019-06-11 2023-01-03 Sodick Co., Ltd. Method for producing three-dimensional object using movable lens with control of laser power, scan speed and beam diameter

Also Published As

Publication number Publication date
US20190217422A1 (en) 2019-07-18
US11911852B2 (en) 2024-02-27
DE102016001355A1 (de) 2017-08-10
DE102016001355B4 (de) 2022-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102016001355B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Laserstrahlen in Anlagen für generative Fertigung
EP3538298B1 (de) Verfahren zum kalibrieren einer scannereinrichtung und bearbeitungsmaschine
DE102015001421B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Strahldiagnose an Laserbearbeitungs-Optiken (PRl-2015-001)
EP3140609B1 (de) Vorrichtung zur messung der tiefe einer schweissnaht in echtzeit
DE102013015656B4 (de) Verfahren zum Messen der Eindringtiefe eines Laserstrahls in ein Werkstück, Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks sowie Laserbearbeitungsvorrichtung
WO2018078137A1 (de) Ablenkeinheit mit zwei fenstern, einem optischen element und einer xy-ablenkvorrichtung
DE102015007142A1 (de) Messvorrichtung für ein Laserbearbeitungssystem und Verfahren zum Durchführen von Positionsmessungen mittels eines Messstrahls auf einem Werkstück
EP3469302A1 (de) VERFAHREN ZUR OPTISCHEN MESSUNG DER EINSCHWEIßTIEFE
EP3538299B1 (de) Verfahren zum bestimmen eines strahlprofils eines laserstrahls und bearbeitungsmaschine mit retroreflektoren
DE102013213547A1 (de) Kalibriereinrichtung und Kalibrierverfahren für eine Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines Objekts
DE102016110266A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur generativen Fertigung von Bauteilen
DE102013008647B4 (de) Laserbearbeitungsvorrichtung mit zwei adaptiven Spiegeln
DE102015102111A1 (de) Mehrkopf-Laseranlage mit Sensoreinheit
DE102015221599A1 (de) Werkzeugmaschine
WO2023131522A1 (de) VERFAHREN ZUM LASERSTRAHLSCHWEIßEN VON MEHREREN KOMPONENTEN AN UNTERSCHIEDLICHEN BEARBEITUNGSSTELLEN EINES BAUTEILS SOWIE LASERSCHWEIßVORRICHTUNG
DE3706271C2 (de)
DE102005038587A1 (de) Messsystem und Verfahren zum Vermessen eines Laserstrahls
DE102017201795B4 (de) Verfahren zur Bestimmung des Transmissionsgrades eines optischen Systems mit einem Messobjekt, bei dem es sich um mindestens einen Spiegel einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage handelt, in Abhängigkeit einer Mehrzahl vorgegebener Parameter
DE102018211832A1 (de) Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung und Regelung eines Energieaufnahmepotentials in der Interaktionszone eines Beleuchtungsstrahls mit einem Pulvergasstrahl
EP1391691B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers eines Lochs in einem Werkstück.
EP1571415B1 (de) Photothermisches Messsystem
EP3877153B1 (de) Verfahren zum betreiben einer einrichtung zur additiven herstellung eines dreidimensionalen objekts
DE102019115280A1 (de) Verfahren zur Durchführung eines Diagnoseablaufs einer Einrichtung zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts sowie derartige Herstelleinrichtung mit Diagnosevorrichtung
EP3598059A1 (de) Verfahren und anordnung zum erfassen eines kalibrierobjekts mit einer optischen sensoreinrichtung
EP3855111A1 (de) Optische messvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17711078

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17711078

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1