WO2017202818A1 - Verfahren und vorrichtung zur prozessüberwachung bei der generativen fertigung von bauteilen - Google Patents

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WO2017202818A1
WO2017202818A1 PCT/EP2017/062360 EP2017062360W WO2017202818A1 WO 2017202818 A1 WO2017202818 A1 WO 2017202818A1 EP 2017062360 W EP2017062360 W EP 2017062360W WO 2017202818 A1 WO2017202818 A1 WO 2017202818A1
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building material
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processing surface
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Ulrich THOMBANSEN
Stefan Mann
Peter Abels
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for process monitoring in the generative production of components by layerwise solidification of a building material by means of energetic radiation, in which with a radiation-sensitive sensor array before and / or after applying a new layer of building material on a processing surface data at least one of the Solidification of the
  • the invention also relates to a device for the additive production of components with which the method can be used.
  • SLM Selective Laser Melting
  • Tools are produced that can not be produced with conventional manufacturing techniques such as casting or machining. Since previous production-related
  • the starting material for the SLM process is in powder form. It is in a closed process chamber as a thin layer (about 15 to 200 ⁇ ) on a substrate plate, referred to in the present patent application as a construction platform applied. According to the calculated surfaces of the CAD model, the powder is selectively melted by local heat input with the laser beam. Thereafter, the substrate plate is lowered and applied a new powder layer. The next shift will be back
  • the off-axis structure In industry and research different approaches to quality assurance are pursued.
  • two approaches can be distinguished in terms of Sensorinte ⁇ gration between, on the one hand the off-axis structure and, secondly, the on-axis design.
  • the off-axis solution the entire installation space is detected and monitored by the sensor system.
  • the sensor system can be arranged inside or outside the process chamber.
  • the sensor In the on-axis solution, the sensor is integrated into the machining head and detects the machining surface coaxially with the beam path of the laser
  • the processing zone can be imaged with the molten bath on the sensor.
  • the monitoring can be carried out in layers, so that at the end of the processing there are SD information on the component formation.
  • the on-axis structure is based on a coaxial arrangement of the sensors, such as cameras and photodiodes, to the processing axis of the processing laser beam.
  • the sensors use part of the same optical beam path as the processing laser.
  • An example of such a structure can be found in the
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for
  • the task is with the method and the
  • the proposed method with a radiation sensitive sensor array and optionally using a suitable imaging optics in front of and / or recorded on the working surface data of at least a portion of the processing surface used for the solidification of the building ⁇ material after application of a new layer of the building material, of which at Need a picture of this Range can be created.
  • the method is characterized in that the recording of this data with at least one line sensor is carried out as radiation ⁇ sensitive sensor arrangement, which is moved over the working surface.
  • the processing area represents each case before the order of a new
  • Solidification of the building material used area is in this case the area of the processing area
  • documented ⁇ animals can be as in the known methods of the prior art in layers or layers of the entire structure of the component. This is done by each individual layer before and / or after solidification by movement of the
  • Line sensor on the processing surface preferably created an image.
  • the movement takes place parallel to the processing surface.
  • Abbil ⁇ dung thereby the surface of each newly applied and / or just solidified layer is imaged on the line sensor. Due to the continuous movement or crossing of the line sensor about the structure of the region of the working surface of an image of the entire structure area or even the entire processing ⁇ surface can be produced on the recording rate of the line sensor.
  • the line sensor can be at a very short distance of preferably -S 400 mm above the working surface and be moved synchronously with the layer over the working surface, without causing a collision or interference with or by the application of a new layer of the building material. This can be a very high
  • Line sensor moves synchronously to the application device for the layered application of the building material over the processing surface. This movement preferably takes place by the at least one line sensor being fastened to the application device itself, so that with the movement of this application device for application of the new layer, the line sensor for data acquisition is also moved over the processing surface.
  • Device can be used with all generative adversaries
  • the building material or the material required for the structure layer or layer by sheet is supplied.
  • This may be a powdery material which is distributed over the processing surface, for example via a suitable slider.
  • this also includes similar processes for plastics and methods for laser sintering.
  • Method is also suitable for production techniques in which the building material in liquid form layer or layer is supplied.
  • the proposed method and the associated device are also suitable for additive manufacturing techniques, the other types of energy radiation, for example
  • the amounts ⁇ formed for carrying out the method comprises at least one Bauplatt ⁇ form, an application device for layerwise
  • the device is characterized in that the sensor arrangement comprises at least one line sensor which is connected to a mechanical movement device which moves the line sensor over the processing surface to detect the construction area.
  • the mechanical movement device can be designed specifically for the movement of the line sensor on the processing surface, for example, using a linear axis or a
  • the at least one line sensor is preferably arranged in the direction of movement of the application device during layer application in front of the application device. With this arrangement, then an image of the already processed or partially solidified layer and / or can be on the return trip to create an image of the newly listed transferred layer, for example, on the outward journey of the contract ⁇ means for coating application.
  • the guide device for the energetic radiation may be a fixed guide means which generates, for example, a projection of the energy radiation to the processing area, or to a dynamic engineerssein ⁇ direction, for example, a scanning device with which one or more machining beam on the Machining surface to be performed.
  • the construction platform is usually formed lowerable or liftable. An application of a layer "over" the build platform is not necessarily to be understood in the present patent application relative to the direction of gravity, but rather refers to the construction direction relative to the build platform.
  • Processing surface are required to achieve a high resolution and high recording rates, for example, 10 kHz.
  • additional illumination of the observed area may be required.
  • this illumination is performed by at least one line of suitable radiation-emitting components, which are arranged parallel to the line sensor and also with the mechanical
  • Movement device is connected.
  • components such as LEDs,
  • Emitting laser can be used, which can emit in different wavelength ranges and powers.
  • the at least one line sensor can be designed, for example, for the detection of the visible spectral range or else for the detection of thermal images. In the case of capturing images or image data in the visible spectral range, the radiation sources used for illumination are then also used
  • Emit spectral range When recording from Thermal images or thermal image data corresponding infrared-emitting devices are used.
  • the structure of the line with radiation sources and the line sensor can be done in different ways. In the simplest case, the entire or almost entire processing area is covered in one dimension by continuous lines. For cost or surveillance reasons, it can also be used by
  • Lines are possible, for example, to obtain image sequences at defined time intervals.
  • Both the line of radiation sources and the at least one line sensor can be located in the entire wavelength spectrum depending on the desired application.
  • Different wavelength ranges can also be mitein ⁇ other spatial or temporal combination.
  • the evaluation of the signals can be correlated with other process variables and sensor signals or evaluated in their dependency.
  • associated device can be different
  • Warming pulse records image sequences, which are analyzed according to ⁇ following.
  • Defects such as pores behave like a thermal barrier and hinder the heat flow.
  • Recognition depends on the size of the defect (cross section) and the distance to the surface.
  • the propagation speed depends on material properties such as thermal conductivity, specific heat capacity and density.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • the proposed method and the associated apparatus will be explained in more detail below using an example in which a component with the technique of selective laser sintering (SLM) is constructed.
  • the construction device has a process chamber 1, in which a building platform 2 in a for the construction provided building container 3 is lowered.
  • the process ⁇ chamber 1 has an inlet 4 and an outlet 5 for a process gas.
  • the pulverulent build-up material 7 is applied in each case with a powder slide 6 as a new layer over the processing surface. The order of each new layer takes place after solidification of the respective preceding layer by lowering the build platform 2 by a corresponding layer thickness and movement of the powder slide 6 on the component 3 ratio.
  • the storage container for the building material and the guide means for the laser beam are not shown in this figure. These components of the device are known from the prior art and can be formed here in the same way.
  • Process monitoring used line sensor 9 image data are recorded by each line through the line sensor.
  • the resolution is typically in the range of the pixel size of
  • Line sensors for example at 10 ⁇ . In the direction the feed of the powder pusher 6, the resolution depends on the feed rate and the
  • CMOS, CCD, InGAs, etc. are able to convert line frequencies of 40 kHz. In conjunction with a pixel size of 10 ⁇ can be thus achieve an excellent spatial resolution for the monitoring of the applied powder layer and the set ⁇ molten or solidified regions.
  • Figure 1 also shows an optical or thermal
  • Line source 10 which is also attached to the powder slide 6 parallel to the line sensor 9. This lighting line or line source can be used for
  • the line sensor 9 records image data of the processing surface for inspection.
  • the recorded image data is evaluated one image processing algorithm at least ⁇ and relevant features
  • the line sensor 9 is designed for recording thermal image data and the line source 10 as a thermal line source.
  • the line sensor 9 is designed for recording thermal image data and the line source 10 as a thermal line source.
  • defects 11 below the surface can be detected in the already solidified building material. Such a defect 11 generates a detectable on the surface response of the irradiated via the line source 10 heat pulses.
  • the attached to the slider 6 sensor unit with line source 10 and line sensor 9 is connected to a control and
  • Evaluation device 12 connected. In the control and evaluation device 12, the control of the
  • an analysis result 13 can be output which indicates the position and depth of the respective defect.
  • Process monitoring can be performed without taking any process time. This allows spatially resolved measurement data of the entire processing area in the

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prozessüberwachung bei der generativen Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials (7) mittels energetischer Strahlung. Bei dem Verfahren werden mit einer strahlungsempfindlichen Sensoranordnung jeweils vor und/oder nach einem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials (7) Daten wenigstens eines für die Verfestigung des Aufbaumaterials genutzten Bereiches der Bearbeitungsfläche aufgezeichnet. Die Aufzeichnung der Daten erfolgt mit wenigstens einem Zeilensensor (9) als strahlungsempfindlicher Sensoranordnung, der über die Bearbeitungsfläche bewegt wird. Das Verfahren ermöglicht die Aufzeichnung von Bilddaten mit hoher Auflösung und hohen Messraten ohne Störungen durch die Prozessemission und ohne zusätzliche Nebenzeiten.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Prozessüberwachung bei der generativen Fertigung von Bauteilen
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessüberwachung bei der generativen Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials mittels energetischer Strahlung, bei dem mit einer strahlungsempfindlichen Sensoranordnung jeweils vor und/oder nach einem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials auf eine Bearbeitungsfläche Daten wenigstens eines für die Verfestigung des
Aufbaumaterials genutzten Bereiches der Bearbeitungs¬ fläche aufgezeichnet werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur generativen Fertigung von Bauteilen, mit der das Verfahren genutzt werden kann.
Die generative Fertigung bietet mit ihren nahezu unbeschränkten geometrischen Freiheitsgraden, den vollständigen Verzicht auf formgebende Werkzeuge und einer Materialausnutzung von nahezu 100% die Möglichkeit, individuelle Produkte ressourcen- und energie¬ effizient zu fertigen. Eines der am weitesten
verbreiteten Verfahren der generativen Fertigung von Metallbauteilen (auch Keramiken) ist das selektive Laserschmelzen (SLM: Selective Laser Melting) , bei dem die Bauteile durch schichtweise Verfestigung eines pulverförmigen Aufbaumaterials auf einer Bauplattform aufgebaut werden. Durch den schichtweisen Aufbau direkt aus CAD- Daten können mittels SLM hochkomplexe Bauteile aus metallischen Serienwerkstoffen ohne formgebende
Werkzeuge produziert werden, die mit konventionellen Fertigungstechniken wie Gießen oder Zerspanen nicht herstellbar sind. Da bisherige fertigungsbedingte
Restriktionen entfallen, können völlig neue Bauteile mit innovativen Funktionalitäten realisiert werden. Der Ausgangswerkstoff für den SLM-Prozess liegt in pulvriger Form vor. Er wird in einer geschlossenen Prozesskammer als dünne Schicht (ca. 15 bis 200 μιη) auf einer Substratplatte, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Bauplattform bezeichnet, aufgebracht. Entsprechend der berechneten Flächen des CAD-Modells wird das Pulver durch lokalen Wärmeeintrag mit dem Laserstrahl selektiv aufgeschmolzen. Danach wird die Substratplatte abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen. Die nächste Schicht wird wieder mit
Laserstrahlung selektiv aufgeschmolzen und schmelzmetallurgisch mit der unteren Schicht verbunden. Auf diese Weise entsteht das maßgeschneiderte Bauteil schichtweise aus dem pulverförmigen Aufbaumaterial . Durch selektives Laserschmelzen gefertigte Bauteile zeichnen sich durch große Bauteildichten (> 99% ) aus .
Dies gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils weitgehend denen des Grundwerkstoffs entsprechen. Für den Bereich der Metallverarbeitung ist dieses Verfahrensprinzip zum Teil auch unter anderen Namen, wie beispielsweise DMLS (Direct Metal Laser Sintering) , LaserCUSING® oder Laser Metal Fusion bekannt. Allerdings ist es bisher nicht gelungen, das
Potential der generativen Fertigung in größerem Umfang als Fertigungsverfahren für funktionale Bauteile zu nutzen. Dies ist im Wesentlichen auf eine bisher fehlende Qualitätssicherung und -kontrolle bei der generativen Fertigung zurückzuführen, die bewirkt, dass Fehler wie beispielsweise unzureichende Pulverzufuhr, Poren- und Bindefehler im Bauteil, Verzug des Bauteils oder Fehlstellen an Überhängen, während des mitunter mehrere Stunden dauernden Produktionsprozesses nicht detektiert werden können. Die auftretenden Fehler sind in der Regel geometrieabhängig, weshalb eine generelle Vermeidung der Fehler durch Verbesserungen der
Prozessführung nicht möglich ist. Darüber hinaus können diese Fehler während des gesamten Prozesses an
verschiedensten Stellen im Bauteil entstehen und sind somit erst nach der Fertigstellung mit aufwändigen Prüfmethoden wie beispielsweise der Computertomographie detektierbar . Dies gilt auch für Fälle, bei denen der Fehler bereits in den ersten Schichten entstanden ist, da der bereits verfestigte bzw. aufgebaute Teil während des Fertigungsprozesses durch das umgebende Pulverbett verborgen ist. So ist es in der Regel notwendig, dass zumeist mehrere Versuche unternommen werden, bis eine neue, bisher unbekannte Geometrie fehlerfrei gefertigt werden kann. Dies ist für die Einzel- und Kleinserienfertigung nicht akzeptabel. Ebenso ist es bis heute sehr aufwändig, die Qualität der generativ gefertigten Bauteile zu sichern und zu dokumentieren. Insbesondere bei lasttragenden Strukturen im Bereich der Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik ist dies ein Ausschluss¬ kriterium bei der Auswahl geeigneter Fertigungsverfahren . Stand der Technik
In Industrie und Forschung werden unterschiedliche Ansätze zur Qualitätssicherung verfolgt. Hierbei kann zwischen zwei Ansätzen in Bezug auf die Sensorinte¬ gration unterschieden werden, zum einen der Off-Axis- Aufbau und zum anderen der On-Axis-Aufbau . Bei der Off- Axis-Lösung wird der gesamte Bauraum von dem Sensor- System erfasst und überwacht. Das Sensorsystem kann dabei innerhalb oder außerhalb der Prozesskammer angeordnet sein. Bei der On-Axis-Lösung ist der Sensor in den Bearbeitungskopf integriert und erfasst die Bearbeitungsfläche koaxial zum Strahlengang des
Bearbeitungslasers. Hierdurch kann die Bearbeitungszone mit dem Schmelzbad auf dem Sensor abgebildet werden. Bei beiden Ansätzen kann die Überwachung schichtweise erfolgen, so dass zum Ende der Bearbeitung SD- Informationen zur Bauteilentstehung vorliegen.
Der On-Axis-Aufbau beruht auf einer koaxialen Anordnung der Sensoren, wie Kameras und Fotodioden, zur Bearbeitungsachse des Bearbeitungslaserstrahls. Die Sensoren nutzen dabei zum Teil den gleichen optischen Strahlengang wie der Bearbeitungslaser. Ein Beispiel für einen derartigen Aufbau findet sich in der
Veröffentlichung von U. Thombansen et al . , „Process Observation in Selective Laser Melting (SLM)", Proc. SPIE 9356, High-Power Laser Materials Processing:
Lasers, Beam Delivery, Diagnostics, and Applications IV, 93560R (March 9, 2015) . Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass die Schmelzbademissionen immer auf die Sensorfläche fokussiert werden können und die Bildgröße so gewählt werden kann, das hohe Abtastraten erreicht werden. Hierdurch wird eine kontinuierliche Prozessdokumentation ermöglicht. Die Nachteile dieser Anordnung sind in der Integration in den optischen Strahlengang begründet. Der komplexe optische Aufbau führt zu Grenzen in der Qualität der Abbildung. Die Beobachtung über den Scanner erfordert hohe Messfrequenzen, was zu einer Limitierung in der Auflösung der genutzten Sensorfläche führt. Diese Anordnung wird ausschließlich verwendet, um den Prozess zu dokumentieren. Überwachungsverfahren, wie die Pulsthermografie oder eine Überwachung des Pulverauftrags, die durch Prozessemissionen gestört werden, kommen nicht zum Einsatz .
Ein Beispiel für einen Off-Axis-Aufbau zur
Überwachung des Pulverauftrags findet sich in der
Veröffentlichung von T. Craeghs et al . , „Online Quality Control of Selective Laser Melting", aus
IZL "t "t · / / ί3 ?s ^Τη^-^ o »s l m · z m cj- _rz · ui iz- z^ ^HI 3. <3 · z^ zlxzi / 3. m ui <3 cz* z ZL iz- <3 / 2« ö 1 1 / .2 ö 1 1 - 1 7 - C raeghs . pdf , Seiten 221-226. Der Vorteil einer Off-Axis-Lösung ist die einfache Systemintegration von Anlage und Sensorsystem. Ein Off-Axis-Aufbau ermöglicht Aussagen über den gesamten Bauraum, zum Beispiel über das gesamtheitliche Aufschmelz- und Abkühlverhalten. Eine detaillierte Aussage über das Schmelzbad oder einzelne Bauteilstrukturen ist jedoch nicht ableitbar. Dies ist in der geringeren Auflösung begründet, da der gesamte Bauraum auf der Sensorfläche abgebildet wird. Da aus diesem Grund die Sensoren meist vollflächig genutzt werden, resultiert auch eine niedrigere
Erfassungsrate. Die DE 102014212246 B3 zeigt ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung mit einem derartigen Off-Axis-Aufbau, bei dem mit der eingesetzten Kamera ein Wärmebild der Bearbeitungs¬ fläche aufgezeichnet und damit eine Auswertung mittels Thermografie ermöglicht wird. Auch hier gelten jedoch die obigen Nachteile der Off-Axis-Lösung .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur
Prozessüberwachung bei der generativen Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines
Aufbaumaterials mittels energetischer Strahlung
anzugeben, bei denen Bilddaten jeder aufgetragenen Schicht mit hoher Auflösung und hoher Messrate ohne Störungen durch Prozessemissionen zur Prozessüber- wachung aufgezeichnet werden können.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der
Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden mit einer strahlungsempfindlichen Sensoranordnung und gegebenenfalls mittels einer geeigneten Abbildungsoptik jeweils vor und/oder nach dem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials auf die Bearbeitungsfläche Daten wenigstens eines für die Verfestigung des Aufbau¬ materials genutzten Bereiches der Bearbeitungsfläche aufgezeichnet, aus denen bei Bedarf ein Bild dieses Bereiches erstellt werden kann. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufzeichnung dieser Daten mit wenigstens einem Zeilensensor als strahlungs¬ empfindlicher Sensoranordnung erfolgt, der über die Bearbeitungsfläche bewegt wird. Die Bearbeitungsfläche stellt dabei jeweils vor dem Auftrag einer neuen
Schicht des Aufbaumaterials die Oberfläche des zuletzt aufgetragenen und zum Teil verfestigten Aufbaumaterials und nach dem Auftrag einer neuen Schicht die Oberfläche dieser neuen Schicht dar. Unter dem für die
Verfestigung des Aufbaumaterials genutzten Bereich ist hierbei der Bereich der Bearbeitungsfläche zu
verstehen, den das Bauteil für den Aufbau benötigt, im Folgenden auch als Aufbaubereich bezeichnet.
Mit diesem Verfahren lässt sich wie bei den bekannten Verfahren des Standes der Technik lagen- bzw. schichtweise der gesamte Aufbau des Bauteils dokumen¬ tieren. Hierzu wird von jeder einzelnen Schicht vor und/oder nach der Verfestigung durch Bewegung des
Zeilensensors über die Bearbeitungsfläche vorzugsweise ein Bild erstellt. Die Bewegung erfolgt dabei parallel zur Bearbeitungsfläche. Mittels einer geeigneten Abbil¬ dungsoptik wird dabei die Oberfläche der jeweils neu aufgetragenen und/oder gerade verfestigten Schicht auf den Zeilensensor abgebildet. Durch die kontinuierliche Bewegung oder Überfahrt des Zeilensensors über den Aufbaubereich der Bearbeitungsfläche kann über die Aufnahmerate des Zeilensensors ein Bild des gesamten Aufbaubereiches oder auch der gesamten Bearbeitungs¬ fläche erzeugt werden. Damit können zwei wesentliche Vorteile erreicht werden. Zum einen kann der Zeilensensor in sehr geringem Abstand von vorzugsweise -S 400 mm über der Bearbeitungsfläche angeordnet und synchron zum Schichtauftrag über die Bearbeitungsfläche bewegt werden, ohne dass es zu einer Kollision oder Störung mit oder durch den Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials kommt. Dadurch kann eine sehr hohe
Auflösung der Daten bzw. des jeweiligen Bildes erreicht werden. Zum anderen wird durch diese Anordnung die Aufnahme von Daten des gesamten Aufbaubereiches oder der gesamten Bearbeitungsfläche ohne den Einfluss von Prozessemissionen ermöglicht. Durch Erfassen der jeweiligen Daten während des Auftrags einer jeweils neuen Schicht entstehen für die Datenaufnahme keine zusätzlichen Wartezeiten. Das Verfahren ermöglicht dadurch, den gesamten Aufbau des Bauteils in 3D durch eine schichtweise Analyse in sehr hoher Auflösung zu dokumentieren, ohne zusätzliche Nebenzeiten zu
generieren .
In einer bevorzugten Ausgestaltung des
vorgeschlagenen Verfahrens wird der wenigstens eine
Zeilensensor synchron zur Auftragseinrichtung für den schichtweisen Auftrag des Aufbaumaterials über die Bearbeitungsfläche bewegt. Vorzugsweise erfolgt diese Bewegung, indem der wenigstens eine Zeilensensor an der Auftragseinrichtung selbst befestigt wird, so dass mit der Bewegung dieser Auftragseinrichtung zum Auftrag der neuen Schicht auch der Zeilensensor zur Datenaufnahme über die Bearbeitungsfläche bewegt wird. Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige
Vorrichtung lassen sich bei allen generativen
Fertigungsverfahren einsetzen, bei denen der Aufbau des Bauteils durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials mittels energetischer Strahlung
erfolgt, wobei das Aufbaumaterial bzw. der für den Aufbau erforderliche Werkstoff schicht- bzw. lagenweise zugeführt wird. Dies kann ein pulverförmiger Werkstoff sein, der beispielsweise über einen geeigneten Schieber auf der Bearbeitungsfläche verteilt wird. Neben dem SLM-Verfahren gehören dazu auch ähnliche Verfahren für Kunststoffe sowie Verfahren zum Lasersintern. Das
Verfahren eignet sich auch für Fertigungstechniken, bei denen das Aufbaumaterial in flüssiger Form lagen- bzw. schichtweise zugeführt wird. Neben diesen Verfahren, die zur schichtweisen Verfestigung Laserstrahlung als energetische Strahlung einsetzen, eignen sich das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung auch für generative Fertigungstechniken, die andere Arten energetischer Strahlung, beispielsweise
Elektronenstrahlen, zur schichtweisen Verfestigung des Aufbaumaterials einsetzen. Die für die Durchführung des Verfahrens ausge¬ bildete Vorrichtung umfasst wenigstens eine Bauplatt¬ form, eine Auftragseinrichtung zum schichtweisen
Auftrag des Aufbaumaterials auf eine Bearbeitungsfläche über der Bauplattform, eine Führungseinrichtung für die energetische Strahlung und eine strahlungsempfindliche Sensoranordnung, mit der wenigstens ein für die
Verfestigung des Aufbaumaterials genutzter Bereich der Bearbeitungsfläche erfasst werden kann. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoranordnung wenigstens einen Zeilensensor umfasst, der mit einer mechanischen Bewegungseinrichtung verbunden ist, die den Zeilensensor zur Erfassung des Aufbaubereiches über die Bearbeitungsfläche bewegt. Die mechanische Bewegungseinrichtung kann dabei speziell für die Bewegung des Zeilensensors über die Bearbeitungsfläche ausgebildet sein, beispielsweise unter Nutzung einer Linearachse oder auch eines
Schwenkarms. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird für die Bewegung des Zeilensensors jedoch die
mechanische Bewegungseinrichtung genutzt, mit der die Auftragseinrichtung für den Auftrag des Aufbaumaterials über die Bearbeitungsfläche geführt wird. Der Zeilen¬ sensor ist bei dieser Ausgestaltung dann direkt an er Auftragseinrichtung befestigt. Dies bietet den
besonderen Vorteil, dass die Bewegung des Zeilensensors und damit auch die Bildaufzeichnung automatisch
synchron zur Bewegung der Auftragseinrichtung erfolgt, so dass keine zusätzlichen Messfahrten oder Wartezeiten entstehen. Der wenigstens eine Zeilensensor ist dabei vorzugsweise in Bewegungsrichtung der Auftragsvorrichtung beim Schichtauftrag vor der Auftragsvor- richtung angeordnet. Mit dieser Anordnung lässt sich dann beispielsweise bei der Hinfahrt der Auftrags¬ einrichtung zum Schichtauftrag ein Bild der bereits bearbeiteten bzw. teilweise verfestigten Schicht und/oder bei der Rückfahrt ein Bild der neu aufge- tragenen Schicht erstellen.
Bei der Führungseinrichtung für die energetische Strahlung kann es sich um eine feste Führungseinrichtung handeln, die beispielsweise eine Projektion der energetischen Strahlung auf die Bearbeitungsfläche erzeugt, oder auch um eine dynamische Führungsein¬ richtung, beispielsweise eine Scaneinrichtung, mit der ein oder mehrere Bearbeitungsstrahlen über die Bearbeitungsfläche geführt werden. Die Bauplattform ist in der Regel absenkbar oder anhebbar ausgebildet. Ein Auftrag einer Schicht „über" der Bauplattform ist in der vorliegenden Patentanmeldung nicht zwangsläufig relativ zur Gravitationsrichtung zu verstehen, sondern bezieht sich vielmehr auf die Aufbaurichtung relativ zur Bauplattform.
Bei einer synchron zur Auftragseinrichtung
durchgeführten oder an die Auftragseinrichtung
gekoppelten Bewegung des Zeilensensors über die
Bearbeitungsfläche sind zur Erreichung einer hohen Auflösung auch hohe Aufnahmeraten von beispielsweise 10 kHz erforderlich. Um diese hohen Zeilenfrequenzen mit entsprechenden Belichtungszeiten umzusetzen, kann eine zusätzliche Beleuchtung des beobachteten Bereiches erforderlich sein. Vorzugsweise erfolgt diese Beleuchtung durch wenigstens eine Zeile geeigneter strahlungs- emittierender Bauelemente, die parallel zum Zeilen- sensor angeordnet und ebenfalls mit der mechanischen
Bewegungseinrichtung verbunden ist. Für diese Beleuchtung können beispielsweise Bauelemente wie LEDs,
Laserdioden oder VCSELs (Vertical Cavity Surface
Emitting Laser) eingesetzt werden, die in unterschied- liehen Wellenlängenbereichen und Leistungen emittieren können. Der wenigstens eine Zeilensensor kann bspw. für die Erfassung des sichtbaren Spektralbereiches oder auch für die Erfassung von Wärmebildern ausgebildet sein. Im Falle der Erfassung von Bildern oder Bilddaten im sichtbaren Spektralbereich sind dann auch die zur Beleuchtung eingesetzten Strahlungsquellen
lichtemittierende Bauelemente, die im sichtbaren
Spektralbereich emittieren. Bei Aufzeichnung von Wärmebildern oder Wärmebilddaten werden entsprechende infrarot-emittierende Bauelemente eingesetzt.
Der Aufbau der Zeile mit Strahlungsquellen sowie des Zeilensensors kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Im einfachsten Fall wird die gesamte oder nahezu gesamte Bearbeitungsfläche in einer Dimension von durchgängigen Zeilen abgedeckt. Aus kosten- oder überwachungstechnischen Gründen kann es auch von
Vorteil sein, kürzere Zeilensensoren versetzt und/oder im Überlapp anzuordnen. Auch mehrere durchgängige
Zeilen sind möglich, um beispielsweise Bildfolgen in definierten zeitlichen Abständen zu erhalten. Sowohl die Zeile von Strahlungsquellen als auch der wenigstens eine Zeilensensor können je nach gewünschter Anwendung im gesamten Wellenlängenspektrum angesiedelt sein.
Verschiedene Wellenlängenbereiche können auch mitein¬ ander örtlich oder zeitlich kombiniert werden. Die Auswertung der Signale kann mit weiteren Prozessgrößen und Sensorsignalen korreliert oder in deren Abhängigkeit ausgewertet werden.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der
zugehörigen Vorrichtung können unterschiedliche
Messprinzipien umgesetzt werden. So bietet das
Verfahren die Möglichkeit, Bilddaten der Ober- bzw. Bearbeitungsfläche im sichtbaren Spektralbereich aufzuzeichnen und zur Detektion von sichtbaren Effekten oder fehlerhaften Stellen beim Auftrag des Aufbau- materials mit geeigneten Bildverarbeitungsalgorithmen zu analysieren. Eine weitere Möglichkeit bildet die Anwendung der Pulsthermografie . Die Pulsthermografie ist ein Prüf erfahren, das es ermöglicht, Prozess¬ fehler, die unterhalb der Oberfläche liegen, beispiels¬ weise Poren, Risse oder Anbindungsfehler, zu detek- tieren. Die kurze Prüfdauer und die hohe Nachweis- empfindlichkeit ermöglichen den Einsatz der Pulsthermo- grafie in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Dies ist bei generativen Fertigungsverfahren wie dem SLM von besonderer Bedeutung, da es beim schichtweisen Aufbau zu einem Wiederaufschmelzen von tieferliegenden
Schichten kommt und erst dort im Bereich von 100 μιη bis 150 μιη Tiefe Prozessfehler auftreten können. Durch Anwendung der Pulsthermografie bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung kann eine belastbare Aussage über die Produktqualität, insbeson- dere über die Festigkeit der Bauteile, getroffen werden, da Fehler in tieferliegenden Schichten detek- tiert werden können. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Anwendung der Pulsthermografie, da keine Störungen durch Prozessemissionen bei der Bildauf- Zeichnung auftreten und eine ausreichend hohe Auflösung möglich ist, um Poren usw. in der Größe von 200 μιη bis hinab zu 50 μιη detektieren zu können. Das Messprinzip beruht dabei auf einer Störung des thermischen
Gleichgewichts des Prüflings, indem er kurzzeitig mit Hilfe einer thermischen Anregungsquelle, beispielsweise mittels Diodenlasern oder VCSELs, lokal kurzzeitig erwärmt wird. Als Zeilensensor wird dann ein IR-Sensor, beispielsweise ein Bolometer, ein InGaAs-Detektor oder ein PbSe-Detektor eingesetzt, der nach erfolgtem
Erwärmungspuls Bildsequenzen aufzeichnet, die nach¬ folgend analysiert werden. Die Wärme breitet sich dabei in alle Raumrichtungen aus. Defekte wie beispielsweise Poren verhalten sich wie eine thermische Barriere und behindern den Wärmefluss. Die Erkennbarkeit hängt dabei von der Fehlergröße (Querschnitt) und dem Abstand zur Oberfläche ab. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und der Dichte ab. Die
Zeitdauer, bis sich ein Fehler in der Tiefe an der Oberfläche bemerkbar macht, hängt damit von der
Ausbreitungsgeschwindigkeit ab. Die Auswirkung eines Fehlers auf die Oberflächentemperatur muss jedoch detektierbar sein. Durch die geringe Schichtdicke bei der generativen Fertigung von typischerweise 30μη bis 100 μιη, eignet sich dieses Prüfverfahren damit ideal zur Prozessüberwachung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorge¬ schlagene Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines
beispielshaften Aufbaus der vorgeschlagenen Vorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Beispiels nochmals näher erläutert, bei dem ein Bauteil mit der Technik des selektiven Lasersinters (SLM) aufgebaut wird. Die Aufbauvorrichtung weist eine Prozesskammer 1 auf, in der eine Bauplattform 2 in ein für den Aufbau vorgesehenes Baubehältnis 3 absenkbar ist. Die Prozess¬ kammer 1 hat einen Einlass 4 und einen Auslass 5 für ein Prozessgas. Das pulverförmige Aufbaumaterial 7 wird jeweils mit einem Pulverschieber 6 als neue Schicht über der Bearbeitungsfläche aufgetragen. Der Auftrag der jeder neuen Schicht erfolgt nach der Verfestigung der jeweils vorangehenden Schicht durch Absenken der Bauplattform 2 um eine entsprechende Schichtdicke und Bewegung des Pulverschiebers 6 über das Bauteil- behältnis 3.
Das Vorratsbehältnis für das Aufbaumaterial sowie die Führungseinrichtung für den Laserstrahl sind in dieser Figur nicht dargestellt. Diese Komponenten der Vorrichtung sind aus dem Stand der Technik bekannt und können hier in gleicher Weise ausgebildet sein. Der in Figur 1 dargestellte Pulverschieber 6, der bei jeder Lage über die bereits verfestigten Bauteilbereiche 8 und das restliche Pulver 7 geführt wird, eignet sich zur Anbringung des für die Bildaufzeichnung zur
Prozessüberwachung genutzten Zeilensensors 9. Für die Prozessüberwachung werden von jeder einzelnen Schicht durch den Zeilensensor 9 Bilddaten erfasst. Die
Aufnahme der Bilddaten erfolgt während der Hin- und/oder Rückfahrt des Pulverschiebers 6. Durch die kontinuierliche Überfahrt des Zeilensensors 9 über das Baubehältnis 3 mittels des Pulverschiebers 6 wird über die Bildrate des Zeilensensors 9 ein Bild der gesamten Oberfläche des Bauraumes erzeugt.
Entlang des Zeilensensors 9 liegt die Auflösung typischerweise im Bereich der Pixelgröße des
Zeilensensors, beispielsweise bei 10 μη. In Richtung des Vorschubes des Pulverschiebers 6 ist die Auflösung abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit und der
Aufnahmefrequenz des Zeilensensors. Um bei der
typischen Vorschubgeschwindigkeit des Pulverschiebers von 100 mm/s eine räumliche Auflösung von 10 μιη zu erhalten, ist eine Aufnahmerate von 10 kHz
erforderlich. Kommerziell verfügbare Kamerazeilen
(CMOS, CCD, InGAs usw.) sind in der Lage, Zeilenfrequenzen von 40 kHz umzusetzen. Im Zusammenspiel mit einer Pixelgröße von 10 μιη lässt sich damit eine hervorragende räumliche Auflösung für die Überwachung der aufgetragenen Pulverschicht und der aufge¬ schmolzenen bzw. verfestigten Bereiche erreichen. Figur 1 zeigt auch eine optische oder thermische
Linienquelle 10, die parallel zum Zeilensensor 9 ebenfalls am Pulverschieber 6 angebracht ist. Diese Beleuchtungszeile bzw. Linienquelle kann zur
Beleuchtung der Oberfläche dienen, die aufgrund der kurzen Belichtungszeiten des Zeilensensors 9
erforderlich sein kann.
In einer möglichen Ausgestaltung werden mit dem Zeilensensor 9 Bilddaten der Bearbeitungsfläche zur Inspektion aufgezeichnet. Die aufgenommen Bilddaten werden über wenigstens einen Bildverarbeitungs¬ algorithmus ausgewertet und relevante Merkmale
extrahiert. Dies kann in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, beispielsweise im sichtbaren oder im nahen infraroten Wellenlängenbereich, sowie bei der Hin- und/oder Rückfahrt des Pulverschiebers 6 zum
Pulverauftrag erfolgen. Auf der Hinfahrt wird die schon belichtete bzw. bearbeitete Oberfläche und auf der Rückfahrt die neu aufgetragene Pulverschicht
aufgenommen .
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Nutzung der Pulsthermografie bei dieser Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren. Hierzu ist der Zeilensensor 9 zur Aufzeichnung von Wärmebilddaten ausgebildet und die Linienquelle 10 als thermische Linienquelle. Mittels Pulsthermografie lassen sich Defekte 11 unterhalb der Oberfläche im bereits verfestigten Aufbaumaterial detektieren. Ein derartiger Defekt 11 erzeugt dabei eine an der Oberfläche detektierbare Antwort der über die Linienquelle 10 eingestrahlten Wärmepulse. Die am Schieber 6 befestigte Sensorikeinheit mit Linienquelle 10 und Zeilensensor 9 ist mit einer Steuer- und
Auswerteeinrichtung 12 verbunden. In der Steuer- und Auswerteeinrichtung 12 erfolgen die Steuerung der
Sensorik und die Signalverarbeitung der Antwort. Bei Detektion eines Fehlers kann ein Analyseergebnis 13 ausgegeben werden, das Position und Tiefenlage der jeweiligen Fehlstelle anzeigt.
Mit diesem Verfahren und der beschriebenen
Vorrichtung kann während des Pulverauftrags eine
Prozessüberwachung durchgeführt werden ohne Prozesszeit in Anspruch zu nehmen. Damit können örtlich aufgelöste Messdaten der gesamten Bearbeitungsfläche in der
Nebenzeit des Pulverauftrags generiert werden. Es lässt sich dadurch während der Herstellung eines Bauteils eine vollständige schichtweise Analyse durchführen. Durch die Kombination der einzelnen Schichtaufnahmen wird die räumliche innere Struktur des Bauteils sichtbar und dokumentiert. Bezugs zeichenliste
1 Prozesskammer
2 Bauplattform
3 Baubehältnis
4 Gaseinlass
5 Gasauslass
6 PulverSchieber
7 Pulver
8 Verfestigte Bauteilbereiche
9 Zeilensensor
10 Linienquelle
11 Defekt
12 Steuer- und Auswerteeinrichtung
13 Analyseergebnis

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Prozessüberwachung bei der
generativen Fertigung von Bauteilen durch
schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials (7) mittels energetischer Strahlung,
bei dem mit einer strahlungsempfindlichen
Sensoranordnung jeweils vor und/oder nach einem Auftrag einer neuen Schicht des Aufbaumaterials (7) auf eine Bearbeitungsfläche Daten wenigstens eines für die Verfestigung des Aufbaumaterials (7) genutzten Bereiches der Bearbeitungsfläche
aufgezeichnet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Aufzeichnung der Daten mit wenigstens einem Zeilensensor (9) als strahlungsempfindlicher Sensoranordnung erfolgt, der über die Bearbeitungs¬ fläche bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Zeilensensor (9) synchron zu einer Auftragseinrichtung (6) für den schichtweisen Auftrag des Aufbaumaterials (7) über die Bearbeitungsfläche bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Zeilensensor
mechanisch mit der Auftragseinrichtung gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass mit dem wenigstens einen Zeilensensor (9) Bilddaten im sichtbaren Spektralbereich und/oder Wärmebilddaten aufgezeichnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der für die Verfestigung des Aufbaumaterials (7) genutzte Bereich mit wenigstens einer parallel zum Zeilensensor (9) angeordneten und mit dem
Zeilensensor (9) über die Bearbeitungsfläche bewegten Zeile (10) mit Strahlungsquellen,
insbesondere optischen Strahlungsquellen, bestrahlt wird .
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Zeilensensor (9) zusammen mit den Strahlungsquellen zur Pulsthermographie an der Bearbeitungsfläche eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Zeilensensor (9) für die Aufzeichnung der Daten in einem Abstand von < 400 mm über die Bearbeitungsfläche bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die aufgezeichneten Daten auf Defekte in einer bereits teilweise verfestigten und/oder Störungen in einer neu aufgetragenen Schicht des
Aufbaumaterials (7) hin analysiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Prozessüberwachung beim selektiven Laserschmelzen.
Vorrichtung zur generativen Fertigung von Bauteilen durch schichtweise Verfestigung eines Aufbau¬ materials mittels energetischer Strahlung,
die wenigstens
- eine Bauplattform (2),
- eine Auftragseinrichtung (6) zum schichtweisen Auftrag des Aufbaumaterials (7) in einer
Bearbeitungsfläche über der Bauplattform (2),
- eine Führungseinrichtung für die energetische Strahlung und
- eine strahlungsempfindliche Sensoranordnung aufweist, mit der wenigstens ein für die
Verfestigung des Aufbaumaterials (7) genutzter Bereich der Bearbeitungsfläche erfasst werden kann, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensoranordnung wenigstens einen
Zeilensensor (9) umfasst, der mit einer
mechanischen Bewegungseinrichtung verbunden ist, die den Zeilensensor (9) zur Erfassung des für die Verfestigung des Aufbaumaterials (7) genutzten Bereiches über die Bearbeitungsfläche bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Zeilensensor (9) an der Auftragseinrichtung (6) zum schichtweisen Auftrag des Aufbaumaterials (7) als mechanischer Bewegungs¬ einrichtung befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Zeilensensor (9) in einer beim schichtweisen Auftrag gegebenen Bewegungsrichtung der Auftragseinrichtung (6) vor der
Auftragseinrichtung (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auftragseinrichtung (6) einen
Pulverschieber zum schichtweisen Auftrag von pulverförmigem Aufbaumaterial (7) aufweist, an dem der wenigstens eine Zeilensensor (9) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Zeilensensor (9) ein
Zeilensensor für den sichtbaren Spektralbereich ist .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Zeilensensor (9) ein
Zeilensensor für den infraroten Spektralbereich ist, mit dem ein Wärmebild des für die Verfestigung des Aufbaumaterials (7) genutzten Bereiches
aufgezeichnet werden kann.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zeilensensor so an der mechanischen Bewegungseinrichtung befestigt ist, dass er zur Erfassung des für die Verfestigung des Aufbaumaterials (7) genutzten Bereiches in einem Abstand von < 400 mm über die Bearbeitungsfläche bewegt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
dass parallel zum Zeilensensor (9) wenigstens eine Zeile (10) mit Strahlungsquellen, insbesondere optischen Strahlungsquellen, zur Bestrahlung der Bearbeitungsfläche angeordnet und mit der
mechanischen Bewegungseinrichtung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuer- und Auswerteeinrichtung mit dem Zeilensensor (9) verbunden ist, die den
Zeilensensor (9) während der Bewegung über die Bearbeitungsfläche zur Datenaufzeichnung ansteuert und mit dem Zeilensensor (9) aufgezeichnete Daten auf Defekte in einer bereits teilweise verfestigte und/oder Störungen in einer neu aufgetragenen
Schicht des Aufbaumaterials (7) hin analysiert.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, die zur generativen Fertigung durch selektives
Laserschmelzen ausgebildet ist.
PCT/EP2017/062360 2016-05-25 2017-05-23 Verfahren und vorrichtung zur prozessüberwachung bei der generativen fertigung von bauteilen WO2017202818A1 (de)

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