WO2022214538A1 - Process and apparatus for additive manufacturing of three-dimensional parts - Google Patents

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WO2022214538A1
WO2022214538A1 PCT/EP2022/059107 EP2022059107W WO2022214538A1 WO 2022214538 A1 WO2022214538 A1 WO 2022214538A1 EP 2022059107 W EP2022059107 W EP 2022059107W WO 2022214538 A1 WO2022214538 A1 WO 2022214538A1
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WO
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plasma
photoemission
electromagnetic radiation
spectrum
additive manufacturing
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PCT/EP2022/059107
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Valentin BLICKLE
Frederik SCHAAL
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for the additive manufacturing of three-dimensional components, in which a starting material in powder form is melted locally by means of a processing beam, in particular a laser beam, and a molten pool is formed as a result of the melting.
  • the invention also relates to a device for the additive manufacturing of three-dimensional components, comprising: a beam source that emits a processing beam, in particular a laser beam, and processing optics that are designed to locally melt a starting material in powder form by irradiation with the processing beam, wherein forms a molten pool as a result of melting.
  • a particularly forward-looking process for additive manufacturing is powder bed fusion.
  • powder bed fusion a three-dimensional component is built up layer by layer from a powder.
  • a thin layer of powder is first applied to the part of the component that has already been manufactured.
  • the powder is then locally irradiated with a processing beam.
  • the powder is melted locally and firmly bonded to the lower-lying layers of the component.
  • This procedure is now repeated until all layers of the component have been manufactured.
  • a locally limited melt pool is initially formed from the melted powder.
  • the high temperature gradients also create a thermal flow above the melt pool.
  • different phases powder, melt bath, gas flow
  • process parameters can be monitored during additive manufacturing.
  • systems for monitoring the molten pool which rely on optical emissions from the molten pool, which are measured by diodes or cameras.
  • Such systems can be used, for example, to measure the temperature of the molten bath, which has a significant impact on component quality.
  • only a relative temperature determination is possible with this, since the emissivity of the weld pool and powder is generally unknown.
  • the flow conditions within the process zone, which also have an influence on the component quality, cannot be recorded in this way either.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for the additive manufacturing of three-dimensional components, which allow a reliable detection of meaningful process parameters during the additive manufacturing and thus the reproducible production of three-dimensional components of high quality.
  • This object is achieved according to a first aspect by a method of the type mentioned, in which for the detection of at least one Process parameters of additive manufacturing, a spectrum of electromagnetic radiation emitted by a plasma that is formed in the vicinity of the melt pool during melting is measured and evaluated.
  • the processing beam is a beam of charged particles, in particular an electron beam, or electromagnetic radiation, in particular a laser beam, preferably a pulsed laser beam, particularly preferably a pulsed laser beam with pulse durations in the picosecond or femtosecond range or less.
  • the processing beam is a laser beam
  • the additive manufacturing process is also referred to as laser powder bed fusion (L-PBF).
  • L-PBF laser powder bed fusion
  • the additive manufacturing process is also known as laser metal fusion (LMF).
  • the starting material present in powder form can also be a ceramic, in particular a ceramic containing at least one metal, or another material.
  • the processing beam is usually focused for the irradiation.
  • the melting of the starting material which is in powder form, forms a melt pool consisting of a melt that is locally heated (e.g. by the laser spot), which continues in a liquid state both laterally and in depth due to heat conduction.
  • a plasma is formed, which consists of protective gas (e.g. argon or nitrogen) and melt pool components.
  • the invention it is proposed to measure and evaluate a spectrum of electromagnetic radiation emitted by the plasma in order to record at least one process parameter of additive manufacturing.
  • the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma is preferably measured in the visible spectral range, but can also be in the ultraviolet or infrared range.
  • the at least one process parameter is a physical variable that provides information about the processes during additive manufacturing and/or that correlates with the component quality. the Determining the at least one process parameter thus allows the reproducible manufacture of three-dimensional components of high quality.
  • the process parameter or one of the process parameters is a temperature of the plasma in the vicinity of the molten bath, the temperature being determined using intensities of at least two photoemission lines in the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma.
  • the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma can be measured using a spectrometer, for example.
  • the photoemission lines in the spectrum are material-specific and very sharp. The position and intensity of these photoemission lines is known for the most common elements (Al, Ti, Cr, Fe, ... ), see for example the electronic Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Date in the NIST database "www.nist.gov/pml /handbook-basic-atomic-spectroscopic-data”.
  • the temperature of the plasma results from the intensity l t and the transition coefficient g t of a first photoemission line, the intensity I j and the transition coefficient g j of a second photoemission line and the energy difference AE tj of the first and second photoemission line
  • k B is the Boltzmann constant
  • the process parameter or one of the process parameters is a flow rate of the plasma in the vicinity of the molten bath, the flow rate being determined using at least one Doppler shift of at least one photoemission line in the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma.
  • the local melting by means of the processing beam is necessarily accompanied by strong local heating.
  • This strong local heating leads to a thermal convection flow. Inert gas is sucked in and ejected upwards.
  • the movement of the particles of the plasma due to the convection current leads to a Doppler shift of the photoemission lines in the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma.
  • the measured wavelength l' of a photoemission line thus deviates from the wavelength A 0 of the photoemission line, which would be measured without any relative movement.
  • the wavelength shift DL caused by the Doppler effect is:
  • the flow situation within the process zone also has a direct impact on component quality.
  • the measurement or control of flow velocities in the vicinity of the melt pool is therefore advantageous for manufacturing with consistently high component quality.
  • the temperature of the melt pool can also be a process parameter of the additive manufacturing process.
  • the temperature of the molten bath can be determined in particular from the temperature of the plasma, which is determined in the manner described above.
  • a flow rate of the plasma in the vicinity of the melt pool can also indirectly provide information on the temperature of the melt pool.
  • the convection-related flow speed of the plasma, in particular also of the protective gas components of the plasma, in the vicinity of the molten bath is higher, the higher the temperature of the molten bath.
  • the photoemission line or at least one of the photoemission lines is a photoemission line of protective gas components of the plasma.
  • the plasma is made up of protective gas and melt pool components.
  • the photoemission lines from which the temperature is determined can also be photoemission lines from melt pool components of the plasma. There may also be photoemission lines due to traces of water in the starting material in powder form.
  • the recorded process parameter or the recorded process parameters are used to regulate the method for additive manufacturing.
  • the process parameters for example via a suitable adjustment of the power of the processing beam or another Manipulated variable by means of a controller, are regulated to the desired target values, with which a reproducible high component quality is achieved.
  • at least one of the recorded process parameters can be used to regulate the method for additive manufacturing.
  • the recorded process parameter or the at least one recorded process parameter can represent the controlled variable.
  • the method for additive manufacturing can be carried out in particular in a border area between deep welding and heat conduction welding or close to this border.
  • Heat conduction welding is characterized by low exposure depths.
  • the width of the melt pool i.e. the extent of the melt pool perpendicular to the processing beam and perpendicular to its direction of movement, is therefore typically greater in heat conduction welding than the depth of the melt pool.
  • heat conduction welding produces smooth and non-porous weld seams that do not require any post-processing. Due to very high power densities, deep penetration welding creates a deep and narrow vapor capillary, also known as a keyhole, which is surrounded by molten metal.
  • Deep penetration welding is also characterized by high efficiency, high speed and a small heat-affected zone.
  • Control in the border area or near the border between deep penetration welding and heat conduction welding is particularly advantageous because it allows the advantages of both types of process to be combined with one another within certain limits, and because it allows an aspect ratio of close to 1:1, i.e. a ratio of width to depth of the weld pool close to 1:1, is feasible.
  • a corresponding control can be implemented, for example, by detecting a flow rate of the plasma in the vicinity of the molten bath. As soon as a vapor capillary forms, spatter occurs with an ejection speed that is higher than in heat conduction welding, which can be detected via a corresponding Doppler shift of at least one photoemission line in the plasma.
  • the recorded process parameter or at least one of the recorded process parameters is above by the regulation a minimum value and/or below a maximum value.
  • the recorded process parameter or the at least one of the recorded process parameters is preferably the temperature of the plasma or the temperature of the molten bath.
  • the temperature of the plasma and/or the molten bath can be controlled above a minimum temperature at which complete melting of the starting material in powder form can no longer be achieved and/or below a maximum temperature at which the starting material in powder form can overheat , solidification that is too slow or a weld pool that is too large.
  • the ratio between a width of the molten pool and a depth of the molten pool is between 4:1 and 1:2, preferably between 2:1 and 1:1.5, particularly preferably between 1.5: 1 and 1:1.2.
  • a control is preferably implemented via a calibration, in which at least one manipulated variable (e.g. the power of the processing beam) is varied and at the same time the width and depth of the melt pool (or the formed part of a test component to be manufactured) and at least one process parameter are recorded.
  • the relationship determined from this between the at least one process parameter and the ratio of width to depth of the molten pool can then be used for the control.
  • the depth of the melt pool means the maximum depth of the melt pool.
  • the width of the melt pool is understood to mean the maximum width of the melt pool in the lateral direction (transverse to the direction of movement of the machining beam) on the upper side of the starting material present in powder form.
  • a certain number of pores is already formed at a ratio of width to depth of the molten pool of 1:2, which increases further with a further reduction in this ratio.
  • the formation of spatter also increases, which can lead to further pores, for example, if larger powder agglomerates of a spatter on the powder bed have to be melted at a later point in time.
  • a reduction in the ratio of width to depth of the melt pool to a value of less than 1:2 thus impairs the component quality.
  • the beam path of the laser beam and a beam path of the electromagnetic radiation emitted by the plasma run at least partially coaxially. Such a procedure is particularly simple and reduces the number of optical elements required for the measurement.
  • one measuring laser beam can also be radiated into the area surrounding the melt pool, with the measuring laser beam being scattered on the particles of the plasma, and a spectrum of the radiation scattered on the plasma being measured and evaluated.
  • a suitable method for determining the velocity components of flowing media, for example plasmas, by means of irradiating light and measuring the Doppler shift of the scattered light can be found, for example, in DE 3815214 A1. Similar methods are also discussed in WO 2008/092129 A2.
  • a device for the additive manufacturing of three-dimensional components of the type mentioned at the outset further comprising: a collecting optics which is designed to collect one of a plasma which forms in an area surrounding the molten bath during melting, collect emitted electromagnetic radiation, a spectrometer for measuring a spectrum of the electromagnetic radiation collected and an evaluation unit for determining at least one process parameter by evaluating the spectrum of the electromagnetic radiation collected.
  • the electromagnetic radiation emitted by the plasma is collected by the collecting optics, but also the thermal radiation of the melt pool. While the electromagnetic radiation emitted by the plasma shows photoemission lines that are characteristic of the material, the thermal glow of the melt pool corresponds to continuous blackbody radiation. In general, the spectrum of the superimposition of both components is measured in the spectrometer. Due to their different signatures, however, the parts can be separated from one another: At short wavelengths, the blackbody radiation is weaker, so that the part originating from the material-specific photoemission lines dominates there.
  • the collecting optics can have a lens or an objective, for example.
  • the evaluation unit is typically designed to determine the at least one process parameter from a comparison of the measured spectrum with at least one reference spectrum, from a comparison of at least one variable derived from the measured spectrum with tabulated variables or variables determined in suitable reference measurements, or by calculation based on at least one of the measured ones Spectrum derived size to determine.
  • the process parameter or one of the process parameters is a temperature of the plasma in the vicinity of the molten bath and the Evaluation device is designed to determine the temperature based on intensities of at least two photoemission lines in the spectrum of the electromagnetic radiation collected. This can be done in the manner described above in connection with the method.
  • the process parameter or one of the process parameters is a flow rate in the vicinity of the melt pool
  • the evaluation device is designed to determine the flow rate using at least one Doppler shift of at least one photoemission line in the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma.
  • the spectrometer should have a particularly high resolution; the wavelength resolution should be below 0.1 pm, preferably below 0.05 pm.
  • suitable spectrometers are scanning Fabry-Perot interferometers. These are Fabry-Perot interferometers in which the resonator length can be continuously adjusted, for example via piezoelectric actuators.
  • the photoemission line or at least one of the photoemission lines is a photoemission line of protective gas components of the plasma.
  • the device comprises a control device for controlling the additive manufacturing based on the at least one process parameter.
  • the control device is designed to change at least one parameter of the additive manufacturing as a function of the at least one process parameter.
  • the control device can be designed to change the power of the processing beam or the heat output of a heating device for heating the powder bed as a manipulated variable in order to bring the temperature of the plasma to a target temperature regulate.
  • the control device is designed to keep the recorded process parameter or at least one of the recorded process parameters above a minimum value and/or below a maximum value.
  • the process parameter can be, for example, the temperature of the plasma or possibly the temperature of the molten bath.
  • control device is designed to have a ratio between a width of the molten bath and a depth of the molten bath of between 4:1 and 1:2, preferably between 2:1 and 1:1.5, particularly preferably between 1.5:1 and 1:1.2.
  • the additive manufacturing process is carried out in the border area between deep penetration welding and heat conduction welding.
  • the processing beam is a laser beam and at least parts of the processing optics form the collecting optics.
  • the beam path of the laser beam and the beam path of the electromagnetic radiation emitted by the plasma are at least partially coaxial.
  • the processing optics typically include a focusing device for focusing the laser beam on the surface of the starting material, which is in powder form. The irradiation with the high intensity caused by the focusing then leads to the local melting of the starting material and the melt pool and the plasma form in the vicinity of the melt pool.
  • the focusing device which can be a lens, for example, can now simultaneously serve to collect the electromagnetic radiation emitted by the plasma.
  • the processing optics function as collecting optics, the measuring setup is usually particularly simple and manages with comparatively few optical elements, which reduces costs.
  • the collection optics are typically also external to a Arranged processing chamber in which the present in powder form starting material is melted.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for the additive manufacturing of three-dimensional components, which has collecting optics, a spectrometer and an evaluation unit for detecting at least one process parameter of a plasma
  • FIG. 2 shows a schematic sectional representation of the melting of an in
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a spectrum of electromagnetic radiation emitted by the plasma with photoemission lines, on the basis of which a temperature and a flow rate of the plasma can be determined
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the time course of the temperature of the plasma formed as a result of the irradiation for a variant of the method illustrated in FIG
  • FIG. 5 shows a schematic top view of the molten bath shown in FIG. 2.
  • FIG. Fig. 1 shows a device 1 for the additive manufacturing of three-dimensional components 2, comprising a beam source 3, processing optics 4 and a processing chamber 5.
  • the three-dimensional component 2 is built up in the processing chamber 5 in a protective gas atmosphere G layer by layer from a starting material 6 present in powder form.
  • the starting material 6 in powder form is a metal, but it can also be a ceramic or another material.
  • a thin layer of the starting material 6 in powder form is applied to a carrier 7 .
  • the device 1 has a device (not illustrated) for applying layers of powder.
  • the beam source 3 emits a processing beam in the form of a laser beam 8.
  • the laser beam 8 passes through a beam splitter 9 and the processing optics 4, which are designed to locally melt the starting material 6 in powder form by irradiation with the laser beam 8.
  • the laser beam is focused by means of a focusing device 10 which is part of the processing optics 4 .
  • the focusing device 10 shown in simplified form in FIG. 1 consists of a lens 11, but in deviation from this, the focusing device 10 can also have a plurality of lenses or an objective.
  • the focused laser beam 8 enters the processing chamber 5 through a window 12 and hits the starting material 6 in powder form. Due to the local irradiation, the starting material 6 in powder form melts locally in the powder layer and solidifies as part of the three-dimensional component 2 to be manufactured.
  • the processing optics 3 also have a scanner device 13 for deflecting the laser beam 8 .
  • the scanner device 13 shown here in simplified form consists of a scanner mirror 14 that can be rotated about two axes of rotation, but it can also have two scanner mirrors in the form of galvanometer mirrors, for example.
  • each further step a thin layer of the starting material 6 in powder form applied to the part of the three-dimensional component 2 that has already been manufactured. Proceed in the same way as in the first step. The applied layer is thus irradiated locally with the laser beam 8 , melted and bonded to the underlying layers of the three-dimensional component 2 . This procedure is repeated until all layers of the three-dimensional component 2 have been manufactured.
  • a molten pool 15 is formed and in an area 16 surrounding the molten pool 15, here directly above the molten pool 15, a plasma 17 forms electromagnetic radiation 18 emitted.
  • the molten bath 15 formed during irradiation continues in the liquid state both laterally and in depth due to heat conduction.
  • the depth D of the melt pool 15 depends, among other things, on the power of the laser beam 8 .
  • the depth D of the molten bath 15 is essentially constant, but it goes without saying that the depth D generally varies depending on the location.
  • the plasma 17, which emits the electromagnetic radiation 18, includes protective gas G and molten bath components.
  • the focusing device 10 serves as a collecting optics 19 which collects the electromagnetic radiation 18 emitted by the plasma 17 .
  • the beam paths of the laser beam 8 and the electromagnetic radiation 18 emitted by the plasma consequently run partially coaxially.
  • the collecting optics 19 do not have to be part of the processing optics 4 . In this case, the beam path of the laser beam 8 and the beam path of the collected electromagnetic radiation 18 do not run coaxially.
  • the device 1 also has a spectrometer 20 and an evaluation unit 21 .
  • the spectrometer 20 is used to measure a spectrum 22 of the collected electromagnetic radiation 18 that has previously passed through the scanner device 13 and the beam splitter 9 .
  • the evaluation unit 21 serves to determine at least one process parameter by evaluating the spectrum 22 of the collected electromagnetic radiation 18.
  • the position and strength of these photoemission lines P is known for a large number of materials from spectroscopy data.
  • the photoemission lines P can be photoemission lines of protective gas components of the plasma 17 .
  • a temperature T of the plasma can be determined based on the intensities I, based on a Doppler shift of the photoemission lines P, and also a flow velocity v of the plasma 17 in the vicinity 16 of the melt bath 15.
  • the evaluation of the spectrum 22 of the electromagnetic radiation 18 emitted by the plasma 17 is However, not limited to temperatures T and flow velocities v.
  • the temperature T of the plasma 17 can be used, for example, to determine the temperature of the molten bath 15 .
  • the flow velocity v of the plasma 17 in the vicinity 16 of the melt bath 15 can also indirectly provide information on the temperature of the melt bath 15 .
  • the device 1 also has a control device 23 in order to control the additive manufacturing based on the at least one process parameter, for example the temperature T or the flow rate v.
  • the control device 23 can suitably adjust manipulated variables of the additive manufacturing.
  • the control device 23 can act on the beam source 3 in order to adapt the power of the laser beam 8 as a function of the measured actual temperature T of the plasma 17 in order to achieve a target temperature of the plasma 17 .
  • a corresponding adjustment of one or more manipulated variables with the aid of the control device 23 can also take place as a function of the flow velocity v of the plasma 17 .
  • the flow velocity v of the plasma 17 runs essentially perpendicularly to the surface of the molten bath 15: Due to the strong local heating caused by the irradiation, a thermal convection flow 24 occurs (cf. FIG. 2). Shielding gas G is sucked in from the side and ejected upwards.
  • the direction of movement 25 of the laser beam 8 is from left to right, but the movement of the laser beam 8 has practically no influence on the direction of flow of the plasma 17, which is measured by the spectrometer 20.
  • 3 shows an example of a spectrum 22 of the electromagnetic radiation 18 emitted by the plasma 17, more precisely by the metal ions contained in the plasma 17.
  • the wavelength 1 is plotted on the abscissa axis and the measured intensity I or power on the ordinate axis.
  • the spectrum 22 has sharp, material-specific photoemission lines P with corresponding intensities.
  • Three photoemission lines P 1 , P 2 , P 3 with three corresponding intensities h, I 2 , I 3 are represented here, but typically the spectrum 22 has more than three photo emission lines P 1 .
  • the process dynamics affect the photoemission lines P as follows:
  • the strength (brightness of the emission) of the transitions depends on the temperature.
  • the three photoemission lines P1, P2, P3 therefore result in three temperatures T.
  • these three temperatures T are used by the evaluation device 21 to form an average value, for example educated.
  • the detection of the very small wavelength shift DL or frequency shift D/ of less than 0.1 pm or less than approx. 120 MHz is a challenge.
  • the use of a scanning Fabry-Perot interferometer as a spectrometer 20 offers a cost-effective solution, with which a frequency resolution of 1-2 MHz is achieved.
  • the method described above and the device 1 described above enable a direct, trouble-free measurement of process parameters such as the temperature T within the process zone and the flow rate v above the melt bath 15.
  • T 4 shows the course of the temperature T of the plasma 17 over time t for a variant of the method shown in FIG. 2, the temperature T of the plasma 17 being controlled above a minimum value T min and below a maximum value T max is held. If the minimum value T min is not reached, complete melting of the starting material 6 present in powder form is no longer guaranteed. If the maximum value T max is exceeded, the starting material 6 present in powder form overheats, with the result that solidification is too slow or the formation of a molten pool 15 that is too large.
  • the minimum value T min and the maximum value T max of the temperature T of the plasma 17, where the effects described occur depend on various parameters, for example on the type of starting material 6 present in powder form, and can be determined in advance, for example by tests.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of the molten bath 15 shown in FIG. 2 with the surrounding starting material 6 in powder form and the part of the three-dimensional component 2 that has already been manufactured.
  • the control device 23 shown in Fig. 1 can be designed in particular in such a way that the ratio w/D between the (maximum) width w of the melt pool 15 shown in Fig. 5 and the (maximum) depth D of the melt bath shown in Fig.
  • Melt bath 15 is between 4:1 and 1:2, between 2:1 and 1:1.5, or between 1.5:1 and 1:1.2.
  • the additive manufacturing process is carried out in the border area between deep welding and heat conduction welding, as a result of which the advantages of both types of process can be combined with one another.
  • the regulation of the temperature T of the plasma 17 between the minimum value Tmin and the maximum value Tmax can be carried out, for example, as described in connection with FIG. 4 . Since a keyhole is formed in the molten pool 15 during deep welding, spatters of molten pool components in the plasma 17 above the molten pool 15 move faster during deep welding than is the case with heat conduction welding. With the help of the determination of the flow velocity v of the plasma 17 or components of the plasma 17 using the Doppler shift AK described above in connection with FIG. The flow speed v of the plasma 17 thus represents a process parameter that is particularly well suited for controlling the method for additive manufacturing in the border area between heat conduction welding and deep welding.

Abstract

Disclosed is a process for the additive manufacturing of three-dimensional parts (2), in which a feedstock (6) in powder form is locally melted using a processing beam, in particular a laser beam (8), the melting operation resulting in a molten bath (15), the method being characterized in that in order to acquire at least one additive manufacturing process parameter (T, v), a spectrum (22) of electromagnetic radiation (18) emitted by a plasma (17) forming in surroundings (16) of the molten bath (15) during the melting operation is measured and analyzed.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile Process and device for the additive manufacturing of three-dimensional components
Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, bei dem ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, lokal aufgeschmolzen wird und sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad bildet. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, umfassend: eine Strahlquelle, die einen Bearbeitungsstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, emittiert, sowie eine Bearbeitungsoptik, die ausgebildet ist, ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial durch Bestrahlung mit dem Bearbeitungsstrahl lokal aufzuschmelzen, wobei sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad bildet. The invention relates to a method for the additive manufacturing of three-dimensional components, in which a starting material in powder form is melted locally by means of a processing beam, in particular a laser beam, and a molten pool is formed as a result of the melting. The invention also relates to a device for the additive manufacturing of three-dimensional components, comprising: a beam source that emits a processing beam, in particular a laser beam, and processing optics that are designed to locally melt a starting material in powder form by irradiation with the processing beam, wherein forms a molten pool as a result of melting.
Die Herstellung komplexer dreidimensionaler Bauteile mittels additiver Fertigung hat in den letzten Jahren in Forschung und Industrie stark an Bedeutung gewonnen. Ein besonders zukunftsweisendes Verfahren zur additiven Fertigung ist die Powder Bed Fusion. Bei der Powder Bed Fusion wird ein dreidimensionales Bauteil Schicht für Schicht aus einem Pulver aufgebaut. Dazu wird in jedem Schritt jeweils zunächst eine dünne Pulverschicht auf den bereits gefertigten Teil des Bauteils aufgetragen. Das Pulver wird dann mit einem Bearbeitungsstrahl lokal bestrahlt. Dadurch wird das Pulver lokal aufgeschmolzen und mit den tieferliegenden Schichten des Bauteils stoffschlüssig verbunden. Diese Vorgehensweise wird nun wiederholt bis alle Schichten des Bauteils gefertigt sind. Durch die Bestrahlung bildet sich zunächst ein lokal begrenztes Schmelzbad aus dem aufgeschmolzenen Pulver. Durch die hohen Temperaturgradienten bildet sich außerdem eine thermische Strömung oberhalb des Schmelzbades. Von besonderer Bedeutung für das Verfahren sind unter anderem die Vorgänge in der räumlich eng begrenzten Prozesszone, in der unterschiedliche Phasen (Pulver, Schmelzbad, Gasströmung) während der Bestrahlung miteinander interagieren. The manufacture of complex three-dimensional components using additive manufacturing has become increasingly important in research and industry in recent years. A particularly forward-looking process for additive manufacturing is powder bed fusion. In powder bed fusion, a three-dimensional component is built up layer by layer from a powder. In each step, a thin layer of powder is first applied to the part of the component that has already been manufactured. The powder is then locally irradiated with a processing beam. As a result, the powder is melted locally and firmly bonded to the lower-lying layers of the component. This procedure is now repeated until all layers of the component have been manufactured. As a result of the irradiation, a locally limited melt pool is initially formed from the melted powder. The high temperature gradients also create a thermal flow above the melt pool. Of particular importance for the process are the processes in the spatially limited process zone, in which different phases (powder, melt bath, gas flow) interact with each other during the irradiation.
Um eine hohe Bauteilqualität zu erzielen, können während der additiven Fertigung Prozessparameter überwacht werden. Beispielsweise sind Systeme zur Schmelzbadüberwachung bekannt, die sich auf optische Emissionen des Schmelzbades stützen, welche durch Dioden oder Kameras gemessen werden. Mit solchen Systemen kann beispielsweise die Temperatur des Schmelzbades, welche die Bauteilqualität wesentlich beeinflusst, gemessen werden. Allerdings ist damit lediglich eine relative Temperaturbestimmung möglich, da im Allgemeinen der Emissionsgrad von Schmelzbad und Pulver unbekannt ist. Auch können die Strömungsverhältnisse innerhalb der Prozesszone, die ebenfalls einen Einfluss auf die Bauteilqualität haben, auf diese Weise nicht erfasst werden. In order to achieve high component quality, process parameters can be monitored during additive manufacturing. For example, systems for monitoring the molten pool are known which rely on optical emissions from the molten pool, which are measured by diodes or cameras. Such systems can be used, for example, to measure the temperature of the molten bath, which has a significant impact on component quality. However, only a relative temperature determination is possible with this, since the emissivity of the weld pool and powder is generally unknown. The flow conditions within the process zone, which also have an influence on the component quality, cannot be recorded in this way either.
Aufgabe der Erfindung object of the invention
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile bereitzustellen, welche eine zuverlässige Erfassung von aussagekräftigen Prozessparametern während der additiven Fertigung und damit die reproduzierbare Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen hoher Qualität erlauben. In contrast, the object of the invention is to provide a method and a device for the additive manufacturing of three-dimensional components, which allow a reliable detection of meaningful process parameters during the additive manufacturing and thus the reproducible production of three-dimensional components of high quality.
Gegenstand der Erfindung subject of the invention
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter der additiven Fertigung ein Spektrum einer von einem Plasma, das beim Aufschmelzen in einer Umgebung des Schmelzbades gebildet wird, emittierten elektromagnetischen Strahlung gemessen und ausgewertet wird. This object is achieved according to a first aspect by a method of the type mentioned, in which for the detection of at least one Process parameters of additive manufacturing, a spectrum of electromagnetic radiation emitted by a plasma that is formed in the vicinity of the melt pool during melting is measured and evaluated.
Bei dem Bearbeitungsstrahl handelt es sich um einen Strahl aus geladenen Teilchen, insbesondere um einen Elektronenstrahl, oder um elektromagnetische Strahlung, insbesondere einen Laserstrahl, bevorzugt einen gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt einen gepulsten Laserstrahl mit Pulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich oder darunter. Für den Fall, dass es sich bei dem Bearbeitungsstrahl um einen Laserstrahl handelt, wird das Verfahren zur additiven Fertigung auch als Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF) bezeichnet. Wenn es sich bei dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial um ein Metall handelt, wird das Verfahren zur additiven Fertigung auch als Laser Metal Fusion (LMF) bezeichnet. Bei dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial kann es sich aber auch um eine Keramik, insbesondere um eine mindestens ein Metall enthaltende Keramik, oder um ein anderes Material handeln. The processing beam is a beam of charged particles, in particular an electron beam, or electromagnetic radiation, in particular a laser beam, preferably a pulsed laser beam, particularly preferably a pulsed laser beam with pulse durations in the picosecond or femtosecond range or less. If the processing beam is a laser beam, the additive manufacturing process is also referred to as laser powder bed fusion (L-PBF). When the starting material, which is in powder form, is a metal, the additive manufacturing process is also known as laser metal fusion (LMF). However, the starting material present in powder form can also be a ceramic, in particular a ceramic containing at least one metal, or another material.
Der Bearbeitungsstrahl wird für die Bestrahlung in der Regel fokussiert. Durch das Aufschmelzen des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials bildet sich ein Schmelzbad bestehend aus einer lokal (z.B. durch den Laserspot) erhitzten Schmelze, welches sich durch Wärmeleitung sowohl lateral als auch in der Tiefe in flüssigem Zustand fortsetzt. In der Umgebung des Schmelzbades, typischerweise direkt oberhalb des Schmelzbades, bildet sich ein Plasma, das aus Schutzgas (z.B. Argon oder Stickstoff) und Schmelzbad-Bestandteilen besteht. The processing beam is usually focused for the irradiation. The melting of the starting material, which is in powder form, forms a melt pool consisting of a melt that is locally heated (e.g. by the laser spot), which continues in a liquid state both laterally and in depth due to heat conduction. In the vicinity of the melt pool, typically directly above the melt pool, a plasma is formed, which consists of protective gas (e.g. argon or nitrogen) and melt pool components.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter der additiven Fertigung ein Spektrum einer von dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung zu messen und auszuwerten. Die Messung des Spektrums der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung erfolgt bevorzugt im sichtbaren Spektralbereich, kann aber auch im Ultraviolett- oder Infrarotbereich erfolgen. Bei dem mindestens einen Prozessparameter handelt es sich um eine physikalische Größe, die Aufschluss über die Vorgänge während der additiven Fertigung gibt und/oder die mit der Bauteilqualität korreliert. Die Bestimmung des mindestens einen Prozessparameters erlaubt damit die reproduzierbare Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen hoher Qualität. According to the invention, it is proposed to measure and evaluate a spectrum of electromagnetic radiation emitted by the plasma in order to record at least one process parameter of additive manufacturing. The spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma is preferably measured in the visible spectral range, but can also be in the ultraviolet or infrared range. The at least one process parameter is a physical variable that provides information about the processes during additive manufacturing and/or that correlates with the component quality. the Determining the at least one process parameter thus allows the reproducible manufacture of three-dimensional components of high quality.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens ist der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Temperatur des Plasmas in der Umgebung des Schmelzbades, wobei die Temperatur anhand von Intensitäten von mindestens zwei Photoemissionslinien im Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung bestimmt wird. Das Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise mittels eines Spektrometers gemessen werden. Die Photoemissionslinien im Spektrum sind materialspezifisch und sehr scharf. Die Lage und Intensität dieser Photoemissionslinien ist für die gängigsten Elemente (AI, Ti, Cr, Fe, ... ) bekannt, vgl. beispielsweise das elektronische Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Date in der NIST-Datenbank „www.nist.gov/pml/handbook-basic-atomic-spectroscopic-data“. In a further variant of this method, the process parameter or one of the process parameters is a temperature of the plasma in the vicinity of the molten bath, the temperature being determined using intensities of at least two photoemission lines in the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma. The spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma can be measured using a spectrometer, for example. The photoemission lines in the spectrum are material-specific and very sharp. The position and intensity of these photoemission lines is known for the most common elements (Al, Ti, Cr, Fe, ... ), see for example the electronic Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Date in the NIST database "www.nist.gov/pml /handbook-basic-atomic-spectroscopic-data".
Aus der Intensität lt und dem Übergangskoeffizienten gt einer ersten Photoemissionslinie, der Intensität Ij und dem Übergangskoeffizienten gj einer zweiten Photoemissionslinie und der Energiedifferenz AEtj der ersten und der zweiten Photoemissionslinie ergibt sich die Temperatur des Plasmas zu
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wobei kB die Boltzmann-Konstante ist, vgl. die Dissertation „Spectroscopic temperature measurements of flames and their physical significance“ (1971), Retrospective Theses and Dissertations, 4422, Iowa State University. In der Notation von Gleichung (25) der Dissertation wird die jeweilige Intensität mit B bzw. mit B‘ bezeichnet und der Übergangskoeffizient mit 1 / ( gq Aqp vo ) bzw. mit 1 / (gq· Aq’P‘ v‘o ). Eine Anwendung der Methode ist in dem Artikel „Determination of Plasma Temperature by a Semi-Empirical Method“, F.O. Borges et al., Brazilian Jounal of Physics, Vol. 34, No. 4B, Dezember 2004 beschrieben. Durch die Messung und den Vergleich der Intensitäten mehrerer Linien lässt sich die statistische Genauigkeit leicht erhöhen, indem jeweils für zwei der Linien die Temperatur auf die obige Weise bestimmt wird und aus den so berechneten Temperaturen ein Mittelwert gebildet wird. Anhand von Intensitäten von mindestens zwei Photoemissionslinien ist also eine absolute Bestimmung der Temperatur in der Umgebung des Schmelzbades und damit direkt innerhalb der Prozesszone möglich. Dies ist insbesondere verglichen mit der oben beschriebenen Schmelzbadüberwachung aus dem Stand der Technik, die auf der Messung die optischen Emissionen basiert, vorteilhaft, da letztere lediglich eine relative Temperaturbestimmung ermöglicht. Das Temperaturgefüge innerhalb der Prozesszone hat wie bereits diskutiert einen direkten Einfluss auf die Bauteilqualität. Die Messung beziehungsweise Regelung der absoluten Temperatur ist folglich für eine Fertigung mit konstant hoher Bauteilqualität vorteilhaft.
The temperature of the plasma results from the intensity l t and the transition coefficient g t of a first photoemission line, the intensity I j and the transition coefficient g j of a second photoemission line and the energy difference AE tj of the first and second photoemission line
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where k B is the Boltzmann constant, see the dissertation "Spectroscopic temperature measurements of flames and their physical significance" (1971), Retrospective Theses and Dissertations, 4422, Iowa State University. In the notation of equation (25) of the dissertation, the respective intensity is denoted by B or B' and the transition coefficient by 1 / ( g q A qp vo ) or 1 / (g q A q'P' v 'o ). An application of the method is described in the article "Determination of Plasma Temperature by a Semi-Empirical Method", FO Borges et al., Brazilian Journal of Physics, Vol. 34, No. 4B, December 2004. By measuring and comparing the intensities of several lines, the statistical accuracy can easily be increased by determining the temperature for two of the lines in the above manner and forming an average from the temperatures calculated in this way. Based on the intensities of at least two photoemission lines, an absolute determination of the temperature in the vicinity of the melt pool and thus directly within the process zone is possible. This is particularly advantageous in comparison with the melt pool monitoring from the prior art described above, which is based on the measurement of the optical emissions, since the latter only enables a relative temperature determination. As already discussed, the temperature structure within the process zone has a direct influence on the component quality. The measurement or control of the absolute temperature is therefore advantageous for production with consistently high component quality.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens ist der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas in der Umgebung des Schmelzbades, wobei die Strömungsgeschwindigkeit anhand mindestens einer Dopplerverschiebung von mindestens einer Photoemissionslinie im Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung bestimmt wird. In a further variant of this method, the process parameter or one of the process parameters is a flow rate of the plasma in the vicinity of the molten bath, the flow rate being determined using at least one Doppler shift of at least one photoemission line in the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma.
Das lokale Aufschmelzen mittels des Bearbeitungsstrahles geht notwendigerweise mit einer starken lokalen Erhitzung einher. Durch diese starke lokale Erhitzung kommt es zu einer thermischen Konvektionsströmung. Hierbei wird Schutzgas angesaugt und nach oben hin ausgeworfen. Die Bewegung der Teilchen des Plasmas aufgrund der Konvektionsströmung führt zu einer Dopplerverschiebung der Photoemissionslinien im Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung. Die gemessene Wellenlänge l' einer Photoemissionslinie weicht also von der Wellenlänge A0 der Photoemissionlinie, die man ohne jegliche Relativbewegung messen würde, ab. Die durch den Dopplereffekt bedingte Wellenlängenverschiebung DL ergibt sich zu The local melting by means of the processing beam is necessarily accompanied by strong local heating. This strong local heating leads to a thermal convection flow. Inert gas is sucked in and ejected upwards. The movement of the particles of the plasma due to the convection current leads to a Doppler shift of the photoemission lines in the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma. The measured wavelength l' of a photoemission line thus deviates from the wavelength A 0 of the photoemission line, which would be measured without any relative movement. The wavelength shift DL caused by the Doppler effect is:
Al = lh — l' = lh — c wobei davon ausgegangen wird, dass die in Detektionsrichtung vorherrschende Strömungsgeschwindigkeit v klein ist verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit c. Aus der Wellenlängenverschiebung DL lässt sich also die in Detektionsrichtung vorherrschende Strömungsgeschwindigkeit v in der Umgebung des Schmelzbades gemäß bestimmen. Wie im Fall der Erfassung der Temperatur können auch hier Messunsicherheiten durch eine Mittelung über die aus den Dopplerverschiebungen einer Vielzahl von Photoemissionslinien bestimmten Werte für die Strömungsgeschwindigkeit v ireduziert werden. Al = lh - l' = lh - c where it is assumed that the flow velocity v prevailing in the direction of detection is small compared to the speed of light c. From the wavelength shift DL, the prevailing flow velocity v in the direction of detection in the vicinity of the melt pool can be determined according to determine. As in the case of recording the temperature, measurement uncertainties can also be reduced here by averaging the values for the flow velocity v i determined from the Doppler shifts of a large number of photoemission lines.
Wie die Temperatur hat auch die Strömungssituation innerhalb der Prozesszone einen direkten Einfluss auf die Bauteilqualität. Analog zur Temperatur ist daher auch die Messung beziehungsweise Regelung von Strömungsgeschwindigkeiten in der Umgebung des Schmelzbades für eine Fertigung mit konstant hoher Bauteilqualität vorteilhaft. Like the temperature, the flow situation within the process zone also has a direct impact on component quality. Analogously to the temperature, the measurement or control of flow velocities in the vicinity of the melt pool is therefore advantageous for manufacturing with consistently high component quality.
Auch die Temperatur des Schmelzbades kann ein Prozessparameter des Verfahrens zur additiven Fertigung sein. Die Temperatur des Schmelzbades kann insbesondere aus der Temperatur des Plasmas bestimmt werden, die auf die weiter oben beschriebene Weise bestimmt wird. Auch eine Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas in der Umgebung des Schmelzbades kann indirekt Informationen zur Temperatur des Schmelzbades liefern. Insbesondere ist die konvektionsbedingte Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas, insbesondere auch von Schutzgasbestandteilen des Plasmas, in der Umgebung des Schmelzbades umso höher, je höher die Temperatur des Schmelzbades ist. The temperature of the melt pool can also be a process parameter of the additive manufacturing process. The temperature of the molten bath can be determined in particular from the temperature of the plasma, which is determined in the manner described above. A flow rate of the plasma in the vicinity of the melt pool can also indirectly provide information on the temperature of the melt pool. In particular, the convection-related flow speed of the plasma, in particular also of the protective gas components of the plasma, in the vicinity of the molten bath is higher, the higher the temperature of the molten bath.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens handelt es sich bei der Photoemissionslinie oder mindestens einer der Photoemissionslinien um eine Photoemissionslinie von Schutzgasbestandteilen des Plasmas. Wie weiter oben beschreiben wurde, setzt sich das Plasma aus Schutzgas und Schmelzbad- Bestandteilen zusammen. Abweichend von der hier beschriebenen Variante kann es sich bei den Photonemissionslinien, aus denen die Temperatur bestimmt wird, auch um Photoemissionslinien von Schmelzbad-Bestandteilen des Plasmas handeln. Es kann sich zudem um Photoemissionslinien handeln, die auf Spuren von Wasser in dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial zurückzuführen sind. In a further variant of this method, the photoemission line or at least one of the photoemission lines is a photoemission line of protective gas components of the plasma. As described above, the plasma is made up of protective gas and melt pool components. Deviating from the variant described here, the photoemission lines from which the temperature is determined can also be photoemission lines from melt pool components of the plasma. There may also be photoemission lines due to traces of water in the starting material in powder form.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens werden der erfasste Prozessparameter oder die erfassten Prozessparameter zur Regelung des Verfahrens zur additiven Fertigung eingesetzt. In dieser Variante können die Prozessparameter, z.B. über eine geeignete Anpassung der Leistung des Bearbeitungsstrahls oder einer anderen Stellgröße mittels eines Reglers, auf gewünschte Sollwerte geregelt werden, womit eine reproduzierbar hohe Bauteilqualität erreicht wird. Im Fall mehrerer erfasster Prozessparameter kann bevorzugt mindestens einer der erfassten Prozessparameter zur Regelung des Verfahrens zur additiven Fertigung eingesetzt werden. Insbesondere kann der erfasste bzw. der mindestens eine erfasste Prozess parameter die Regelgröße darstellen. In a further variant of this method, the recorded process parameter or the recorded process parameters are used to regulate the method for additive manufacturing. In this variant, the process parameters, for example via a suitable adjustment of the power of the processing beam or another Manipulated variable by means of a controller, are regulated to the desired target values, with which a reproducible high component quality is achieved. In the case of several recorded process parameters, preferably at least one of the recorded process parameters can be used to regulate the method for additive manufacturing. In particular, the recorded process parameter or the at least one recorded process parameter can represent the controlled variable.
Durch die Regelung kann das Verfahren zur additiven Fertigung insbesondere in einem Grenzbereich zwischen Tiefschweißen und Wärmeleitschweißen bzw. nahe dieser Grenze durchgeführt werden. Das Wärmeleitschweißen ist durch geringe Einwirktiefen charakterisiert. Die Breite des Schmelzbades, d.h. die Ausdehnung des Schmelzbades senkrecht zum Bearbeitungsstrahl und senkrecht zu dessen Bewegungsrichtung, ist beim Wärmeleitschweißen damit typischerweise größer als die Tiefe des Schmelzbades. Ferner entstehen beim Wärmeleitschweißen glatte und porenfreie Schweißnähte, die keine Nachbearbeitung erfordern. Beim Tiefschweißen entsteht in Folge sehr hoher Leistungsdichten eine tiefe und schmale Dampfkapillare, auch Keyhole genannt, die von Metallschmelze umgeben ist. In der Folge ist beim Tiefschweißen die Tiefe des Schmelzbades größer als dessen Breite. Das Tiefschweißen zeichnet sich ferner durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Geschwindigkeit und eine kleine Wärmeeinflusszone aus. Die Regelung im Grenzbereich bzw. nahe der Grenze zwischen Tiefschweißen und Wärmeleitschweißen ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil sich dadurch Vorteile beider Prozessarten in gewissen Grenzen miteinander kombinieren lassen, und weil damit ein Aspektverhältnis nahe 1:1, d.h. ein Verhältnis von Breite zu Tiefe des Schmelzbades nahe 1:1, realisierbar ist. As a result of the regulation, the method for additive manufacturing can be carried out in particular in a border area between deep welding and heat conduction welding or close to this border. Heat conduction welding is characterized by low exposure depths. The width of the melt pool, i.e. the extent of the melt pool perpendicular to the processing beam and perpendicular to its direction of movement, is therefore typically greater in heat conduction welding than the depth of the melt pool. Furthermore, heat conduction welding produces smooth and non-porous weld seams that do not require any post-processing. Due to very high power densities, deep penetration welding creates a deep and narrow vapor capillary, also known as a keyhole, which is surrounded by molten metal. As a result, in deep penetration welding, the depth of the weld pool is greater than its width. Deep penetration welding is also characterized by high efficiency, high speed and a small heat-affected zone. Control in the border area or near the border between deep penetration welding and heat conduction welding is particularly advantageous because it allows the advantages of both types of process to be combined with one another within certain limits, and because it allows an aspect ratio of close to 1:1, i.e. a ratio of width to depth of the weld pool close to 1:1, is feasible.
Eine entsprechende Regelung kann beispielsweise über eine Erfassung einer Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas in der Umgebung des Schmelzbades umgesetzt werden. Sobald sich eine Dampfkapillare bildet, entstehen Spritzer mit einer Auswurfgeschwindigkeit, die höher liegt als beim Wärmeleitschweißen, was über eine entsprechende Dopplerverschiebung mindestens einer Photoemissionslinie in dem Plasma detektierbar ist. A corresponding control can be implemented, for example, by detecting a flow rate of the plasma in the vicinity of the molten bath. As soon as a vapor capillary forms, spatter occurs with an ejection speed that is higher than in heat conduction welding, which can be detected via a corresponding Doppler shift of at least one photoemission line in the plasma.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens wird durch die Regelung der erfasste Prozessparameter oder mindestens einer der erfassten Prozessparameter oberhalb eines Minimalwerts und/oder unterhalb eines Maximalwerts gehalten. Bevorzugt ist dabei der erfasste Prozessparameter oder der mindestens eine der erfassten Prozessparameter die Temperatur des Plasmas oder die Temperatur des Schmelzbades. In a further variant of this method, the recorded process parameter or at least one of the recorded process parameters is above by the regulation a minimum value and/or below a maximum value. The recorded process parameter or the at least one of the recorded process parameters is preferably the temperature of the plasma or the temperature of the molten bath.
Insbesondere kann die Temperatur des Plasmas und/oder des Schmelzbades durch die Regelung oberhalb einer Minimaltemperatur, bei der eine vollständige Durchschmelzung des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials nicht mehr erreicht wird und/oder unterhalb einer Maximaltemperatur, bei der es zu einer Überhitzung des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials, einer zu langsamen Erstarrung bzw. einem zu großen Schmelzbad kommt, gehalten werden. In particular, the temperature of the plasma and/or the molten bath can be controlled above a minimum temperature at which complete melting of the starting material in powder form can no longer be achieved and/or below a maximum temperature at which the starting material in powder form can overheat , solidification that is too slow or a weld pool that is too large.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens liegt durch die Regelung das Verhältnis zwischen einer Breite des Schmelzbades und einer Tiefe des Schmelzbades zwischen 4:1 und 1:2, bevorzugt zwischen 2:1 und 1:1,5, besonders bevorzugt zwischen 1,5:1 und 1:1,2. Bei den genannten Werten des Verhältnisses von Breite zu Tiefe des Schmelzbades erfolgt die additive Fertigung nahe bzw. sehr nahe der Grenze zwischen Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen. Die Umsetzung einer derartigen Regelung erfolgt bevorzugt über eine Kalibration, bei der mindestens eine Stellgröße (z.B. die Leistung des Bearbeitungsstrahls) variiert wird und gleichzeitig die Breite und Tiefe des Schmelzbades (oder des gebildeten Teils eines zu fertigenden Testbauteils) sowie mindestens ein Prozessparameter erfasst werden. Der daraus ermittelte Zusammenhang zwischen dem mindestens einen Prozessparameter und dem Verhältnis von Breite zu Tiefe des Schmelzbades kann dann für die Regelung herangezogen werden. Unter der Tiefe des Schmelzbades wird die maximale Tiefe des Schmelzbades verstanden. Unter der Breite des Schmelzbades wird die maximale Breite des Schmelzbades in lateraler Richtung (quer zur Bewegungsrichtung des Bearbeitungsstrahls) an der Oberseite des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials verstanden. In a further variant of this method, the ratio between a width of the molten pool and a depth of the molten pool is between 4:1 and 1:2, preferably between 2:1 and 1:1.5, particularly preferably between 1.5: 1 and 1:1.2. With the specified values of the ratio of width to depth of the melt pool, additive manufacturing takes place close or very close to the borderline between heat conduction welding and deep penetration welding. Such a control is preferably implemented via a calibration, in which at least one manipulated variable (e.g. the power of the processing beam) is varied and at the same time the width and depth of the melt pool (or the formed part of a test component to be manufactured) and at least one process parameter are recorded. The relationship determined from this between the at least one process parameter and the ratio of width to depth of the molten pool can then be used for the control. The depth of the melt pool means the maximum depth of the melt pool. The width of the melt pool is understood to mean the maximum width of the melt pool in the lateral direction (transverse to the direction of movement of the machining beam) on the upper side of the starting material present in powder form.
Eine Abweichung von der Begrenzung auf diese Bereiche, d.h. eine stärkere Asymmetrie des Schmelzbades, ist dagegen nachteilig. Bereits bei einem Verhältnis von Breite zu Tiefe des Schmelzbades von 4:1 ist ein erheblicher Überlapp aufeinanderfolgender Belichtungsvektoren notwendig. Ein erheblicher Anteil des verfestigten Materials einer Schicht wird also zweimal aufgeschmolzen. Wird dieses Verhältnis noch größer, so nimmt auch der notwendige Überlapp weiter zu. Der Prozess wird ineffizienter und die Auflösung sinkt. On the other hand, a deviation from the limitation to these areas, ie a greater asymmetry of the melt pool, is disadvantageous. Even with a ratio of width to depth of the melt pool of 4:1, a considerable overlap of successive exposure vectors is necessary. A significant proportion of the solidified material in a layer is therefore melted twice. will this If the ratio is even greater, then the necessary overlap also increases further. The process becomes more inefficient and the resolution drops.
Auf der anderen Seite entsteht bereits bei einem Verhältnis von Breite zu Tiefe des Schmelzbades von 1 :2 eine gewisse Zahl von Poren, die mit einer weiteren Verringerung dieses Verhältnisses weiter zunimmt. Ebenso nimmt die Spritzerbildung zu, die z.B. zu weiteren Poren führen kann, wenn größere Pulveragglomerate eines Spritzers auf dem Pulverbett zu einem späteren Zeitpunkt aufgeschmolzen werden müssen. Eine Verringerung des Verhältnisses von Breite zu Tiefe des Schmelzbades auf einen Wert von weniger als 1 :2 beeinträchtigt damit die Bauteilqualität. On the other hand, a certain number of pores is already formed at a ratio of width to depth of the molten pool of 1:2, which increases further with a further reduction in this ratio. The formation of spatter also increases, which can lead to further pores, for example, if larger powder agglomerates of a spatter on the powder bed have to be melted at a later point in time. A reduction in the ratio of width to depth of the melt pool to a value of less than 1:2 thus impairs the component quality.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens verlaufen der Strahlengang des Laserstrahls und ein Strahlengang der von dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung zumindest teilweise koaxial. Eine solche Vorgehensweise ist besonders einfach und reduziert die Anzahl der für die Messung benötigten optischen Elemente. In a further variant of this method, the beam path of the laser beam and a beam path of the electromagnetic radiation emitted by the plasma run at least partially coaxially. Such a procedure is particularly simple and reduces the number of optical elements required for the measurement.
Zur Bestimmung von mindestens einem Prozessparameter kann auch (mindestens) ein Messlaserstrahl in die Umgebung des Schmelzbades eingestrahlt werden, wobei der Messlaserstrahl an den Teilchen des Plasmas gestreut wird, und ein Spektrum der an dem Plasma gestreuten Strahlung gemessen und ausgewertet wird. Ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitskomponenten strömender Medien, beispielsweise Plasmen, mittels der Einstrahlung von Licht und der Messung der Dopplerverschiebung des Streulichts findet sich beispielsweise in der DE 3815214 A1. Ähnliche Verfahren werden auch in der WO 2008/092129 A2 diskutiert. Die Einstrahlung eines Messlaserstrahls und die Messung und Auswertung des Spektrums der gestreuten Strahlung ist jedoch aufwendiger als die Messung und Auswertung des Spektrums der vom Plasma selbst emittierten elektromagnetischen Strahlung, u.a. weil der Messlaserstrahl in die Bearbeitungskammer geführt werden muss, in der das Pulver lokal aufgeschmolzen wird. Bestehende Systeme zur additiven Fertigung können daher wesentlich einfacher auf den Einsatz des weiter oben beschriebenen Verfahrens hin angepasst werden. Die oben genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt auch gelöst durch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile der eingangs genannten Art, weiter umfassend: eine Sammeloptik, die ausgebildet ist, eine von einem Plasma, das sich beim Aufschmelzen in einer Umgebung des Schmelzbades bildet, emittierte elektromagnetische Strahlung zu sammeln, ein Spektrometer zur Messung eines Spektrums der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung und eine Auswertungseinheit zur Bestimmung von mindestens einem Prozessparameter durch Auswertung des Spektrums der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung. To determine at least one process parameter, (at least) one measuring laser beam can also be radiated into the area surrounding the melt pool, with the measuring laser beam being scattered on the particles of the plasma, and a spectrum of the radiation scattered on the plasma being measured and evaluated. A suitable method for determining the velocity components of flowing media, for example plasmas, by means of irradiating light and measuring the Doppler shift of the scattered light can be found, for example, in DE 3815214 A1. Similar methods are also discussed in WO 2008/092129 A2. However, irradiating a measuring laser beam and measuring and evaluating the spectrum of the scattered radiation is more complex than measuring and evaluating the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma itself, partly because the measuring laser beam has to be guided into the processing chamber in which the powder is locally melted . Existing systems for additive manufacturing can therefore be adapted much more easily to use the method described above. According to a further aspect, the above-mentioned object is also achieved by a device for the additive manufacturing of three-dimensional components of the type mentioned at the outset, further comprising: a collecting optics which is designed to collect one of a plasma which forms in an area surrounding the molten bath during melting, collect emitted electromagnetic radiation, a spectrometer for measuring a spectrum of the electromagnetic radiation collected and an evaluation unit for determining at least one process parameter by evaluating the spectrum of the electromagnetic radiation collected.
Im Allgemeinen wird von der Sammeloptik nicht nur die vom Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung gesammelt, sondern ebenso die thermische Strahlung des Schmelzbades. Während die vom Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung materialcharakteristische Photoemissionslinien aufweist, entspricht das thermische Leuchten des Schmelzbades einer kontinuierlichen Schwarzkörperstrahlung. Im Spektrometer wird im Allgemeinen das Spektrum der Überlagerung beider Anteile gemessen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Signatur lassen sich die Anteile allerdings voneinander trennen: Bei kurzen Wellenlängen ist die Schwarzkörperstrahlung schwächer, so dass dort der von den materialcharakteristischen Photoemissionslinien herrührende Anteil dominiert. In general, not only the electromagnetic radiation emitted by the plasma is collected by the collecting optics, but also the thermal radiation of the melt pool. While the electromagnetic radiation emitted by the plasma shows photoemission lines that are characteristic of the material, the thermal glow of the melt pool corresponds to continuous blackbody radiation. In general, the spectrum of the superimposition of both components is measured in the spectrometer. Due to their different signatures, however, the parts can be separated from one another: At short wavelengths, the blackbody radiation is weaker, so that the part originating from the material-specific photoemission lines dominates there.
Die Sammeloptik kann beispielsweise eine Linse oder ein Objektiv aufweisen. Die Auswertungseinheit ist typischerweise ausgebildet, den mindestens einen Prozessparameter aus einem Vergleich des gemessenen Spektrums mit mindestens einem Referenzspektrum, aus einem Vergleich mindestens einer aus dem gemessenen Spektrum abgeleiteten Größe mit tabellierten oder in geeigneten Referenzmessungen bestimmten Größen oder durch Berechnung ausgehend von mindestens einer aus dem gemessenen Spektrum abgeleiteten Größe zu bestimmen. Bezüglich der mit der Vorrichtung und ihrer im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erzielten Vorteile sei auf die obigen Ausführungen in Bezug auf das Verfahren und seine Varianten verwiesen. The collecting optics can have a lens or an objective, for example. The evaluation unit is typically designed to determine the at least one process parameter from a comparison of the measured spectrum with at least one reference spectrum, from a comparison of at least one variable derived from the measured spectrum with tabulated variables or variables determined in suitable reference measurements, or by calculation based on at least one of the measured ones Spectrum derived size to determine. With regard to the advantages achieved with the device and its embodiments described below, reference is made to the above statements in relation to the method and its variants.
In einer Ausführungsform ist der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Temperatur des Plasmas in der Umgebung des Schmelzbades und die Auswertungseinrichtung ist ausgebildet, die Temperatur anhand von Intensitäten von mindestens zwei Photoemissionslinien im Spektrum der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Dies kann auf die weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebene Weise erfolgen. In one embodiment, the process parameter or one of the process parameters is a temperature of the plasma in the vicinity of the molten bath and the Evaluation device is designed to determine the temperature based on intensities of at least two photoemission lines in the spectrum of the electromagnetic radiation collected. This can be done in the manner described above in connection with the method.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Strömungsgeschwindigkeit in der Umgebung des Schmelzbades, und die Auswertungseinrichtung ist ausgebildet, die Strömungsgeschwindigkeit anhand mindestens einer Dopplerverschiebung von mindestens einer Photoemissionslinie im Spektrum der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Für die Messung der bei typischen Strömungsgeschwindigkeiten sehr kleinen Dopplerverschiebungen sollte das Spektrometer besonders hochauflösend sein; die Wellenlängenauflösung sollte unter 0,1 pm, bevorzugt unter 0,05 pm liegen. Geeignete Spektrometer sind beispielsweise Scanning Fabry-Perot Interferometer. Dabei handelt es sich um Fabry-Perot Interferometer, bei welchen die Resonatorlänge beispielweise über piezoelektrische Aktuatoren kontinuierlich einstellbar ist. In a further embodiment, the process parameter or one of the process parameters is a flow rate in the vicinity of the melt pool, and the evaluation device is designed to determine the flow rate using at least one Doppler shift of at least one photoemission line in the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by the plasma. In order to measure the very small Doppler shifts associated with typical flow velocities, the spectrometer should have a particularly high resolution; the wavelength resolution should be below 0.1 pm, preferably below 0.05 pm. Examples of suitable spectrometers are scanning Fabry-Perot interferometers. These are Fabry-Perot interferometers in which the resonator length can be continuously adjusted, for example via piezoelectric actuators.
In einerweiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Photoemissionslinie oder mindestens einer der Photoemissionslinien um eine Photoemissionslinie von Schutzgasbestandteilen des Plasmas. In a further embodiment, the photoemission line or at least one of the photoemission lines is a photoemission line of protective gas components of the plasma.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Regelungseinrichtung zur Regelung der additiven Fertigung anhand des mindestens einen Prozessparameters. Die Regelungseinrichtung ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem mindestens einen Prozessparameter mindestens einen Parameter der additiven Fertigung zu verändern. Für den Fall, dass es sich bei dem Prozessparameter um die Temperatur des Plasmas handelt, kann die Regeleinrichtung ausgebildet sein, als Stellgröße die Leistung des Bearbeitungsstrahls oder die Wärmeleistung einer Heizeinrichtung zur Heizung des Pulverbetts zu verändern, um die Temperatur des Plasmas auf eine Solltemperatur zu regeln. In einer weiteren Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung ausgebildet, den erfassten Prozessparameter oder mindestens einen der erfassten Prozessparameter oberhalb eines Minimalwerts und/oder unterhalb eines Maximalwerts zu halten. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich bei dem Prozessparameter beispielsweise um die Temperatur des Plasmas oder ggf. um die Temperatur des Schmelzbades handeln. In a further embodiment, the device comprises a control device for controlling the additive manufacturing based on the at least one process parameter. The control device is designed to change at least one parameter of the additive manufacturing as a function of the at least one process parameter. In the event that the process parameter is the temperature of the plasma, the control device can be designed to change the power of the processing beam or the heat output of a heating device for heating the powder bed as a manipulated variable in order to bring the temperature of the plasma to a target temperature regulate. In a further embodiment, the control device is designed to keep the recorded process parameter or at least one of the recorded process parameters above a minimum value and/or below a maximum value. As has been described above, the process parameter can be, for example, the temperature of the plasma or possibly the temperature of the molten bath.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung ausgebildet, ein Verhältnis zwischen einer Breite des Schmelzbades und einer Tiefe des Schmelzbades zwischen 4:1 und 1:2, bevorzugt zwischen 2:1 und 1:1,5, besonders bevorzugt zwischen 1 ,5:1 und 1:1,2, zu erzielen. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird der additive Fertigungsprozess in diesem Fall im Grenzbereich zwischen Tiefschweißen und Wärmeleitschweißen durchgeführt. In a further embodiment, the control device is designed to have a ratio between a width of the molten bath and a depth of the molten bath of between 4:1 and 1:2, preferably between 2:1 and 1:1.5, particularly preferably between 1.5:1 and 1:1.2. As described above, in this case the additive manufacturing process is carried out in the border area between deep penetration welding and heat conduction welding.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Bearbeitungsstrahl ein Laserstrahl und zumindest Teile der Bearbeitungsoptik bilden die Sammeloptik. Der Strahlengang des Laserstrahls und der Strahlengang der von dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung sind in diesem Fall zumindest teilweise koaxial. Die Bearbeitungsoptik umfasst typischerweise eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Laserstrahls auf der Oberfläche des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials. Die Bestrahlung mit der durch die Fokussierung bedingten hohen Intensität führt dann zum lokalen Aufschmelzen des Ausgangsmaterials und es bilden sich das Schmelzbad und das Plasma in der Umgebung des Schmelzbades. In a further embodiment, the processing beam is a laser beam and at least parts of the processing optics form the collecting optics. In this case, the beam path of the laser beam and the beam path of the electromagnetic radiation emitted by the plasma are at least partially coaxial. The processing optics typically include a focusing device for focusing the laser beam on the surface of the starting material, which is in powder form. The irradiation with the high intensity caused by the focusing then leads to the local melting of the starting material and the melt pool and the plasma form in the vicinity of the melt pool.
Die Fokussiereinrichtung, bei der es sich beispielsweise um ein Objektiv handeln kann, kann nun gleichzeitig dazu dienen, die vom Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung zu sammeln. Fungieren zumindest Teile der Bearbeitungsoptik als Sammeloptik, so ist der Messaufbau in der Regel besonders einfach und kommt mit vergleichsweise wenigen optischen Elementen aus, was die Kosten reduziert. Des Weiteren erlaubt eine solche Bauweise die einfache Integration in bereits existierende Systeme. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Sammeloptik und die Bearbeitungsoptik und somit auch deren Strahlengänge zu trennen. In diesem Fall ist die Sammeloptik typischerweise ebenfalls außerhalb einer Bearbeitungskammer angeordnet, in der das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial aufgeschmolzen wird. The focusing device, which can be a lens, for example, can now simultaneously serve to collect the electromagnetic radiation emitted by the plasma. If at least parts of the processing optics function as collecting optics, the measuring setup is usually particularly simple and manages with comparatively few optical elements, which reduces costs. Furthermore, such a design allows easy integration into existing systems. In principle, however, it is also possible to separate the collecting optics and the processing optics and thus also their beam paths. In this case, the collection optics are typically also external to a Arranged processing chamber in which the present in powder form starting material is melted.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Zeichnung Further features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, based on the figures of the drawing, which show details essential to the invention. The individual features can each be implemented individually or together in any combination in a variant of the invention. drawing
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, die zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter eines Plasmas eine Sammeloptik, ein Spektrometer und eine Auswertungseinheit aufweist, Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufschmelzens eines inExemplary embodiments are shown in the schematic drawing and are explained below. 1 shows a schematic representation of a device for the additive manufacturing of three-dimensional components, which has collecting optics, a spectrometer and an evaluation unit for detecting at least one process parameter of a plasma, FIG. 2 shows a schematic sectional representation of the melting of an in
Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials durch Bestrahlen mit einem Bearbeitungsstrahl, wobei sich ein Schmelzbad und ein Plasma bilden und es zu einer thermischen Konvektionsströmung kommt, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Spektrums einer vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung mit Photoemissionslinien, anhand derer eine Temperatur und eine Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas bestimmbar sind, Fig. 4 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Temperatur des in Folge der Bestrahlung gebildeten Plasmas für eine Variante des in der Fig. 2 dargestellten Verfahrens, sowie Starting material in powder form by irradiation with a processing beam, forming a molten bath and a plasma and causing a thermal convection flow, Fig. 3 shows a schematic representation of a spectrum of electromagnetic radiation emitted by the plasma with photoemission lines, on the basis of which a temperature and a flow rate of the plasma can be determined, FIG. 4 shows a schematic representation of the time course of the temperature of the plasma formed as a result of the irradiation for a variant of the method illustrated in FIG
Fig. 5 eine schematische Aufsicht des in der Fig. 2 gezeigten Schmelzbades. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile 2, umfassend eine Strahlquelle 3, eine Bearbeitungsoptik 4, sowie eine Bearbeitungskammer 5. FIG. 5 shows a schematic top view of the molten bath shown in FIG. 2. FIG. Fig. 1 shows a device 1 for the additive manufacturing of three-dimensional components 2, comprising a beam source 3, processing optics 4 and a processing chamber 5.
Das dreidimensionale Bauteil 2 wird in der Bearbeitungskammer 5 in einer Schutzgasatmosphäre G Schicht für Schicht aus einem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6 aufgebaut. Bei dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6 handelt es sich um ein Metall, es kann sich aber auch um eine Keramik oder um ein anderes Material handeln. Zunächst wird in einem ersten Schritt eine dünne Schicht aus dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6 auf einen Träger 7 aufgetragen. Die Vorrichtung 1 weist dazu eine nicht bildlich dargestellte Einrichtung zum Aufträgen von Pulverschichten auf. The three-dimensional component 2 is built up in the processing chamber 5 in a protective gas atmosphere G layer by layer from a starting material 6 present in powder form. The starting material 6 in powder form is a metal, but it can also be a ceramic or another material. In a first step, a thin layer of the starting material 6 in powder form is applied to a carrier 7 . For this purpose, the device 1 has a device (not illustrated) for applying layers of powder.
Die Strahlquelle 3 emittiert einen Bearbeitungsstrahl in Form eines Laserstrahls 8. Der Laserstrahl 8 passiert einen Strahlteiler 9 und die Bearbeitungsoptik 4, die ausgebildet ist, das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial 6 durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl 8 lokal aufzuschmelzen. Der Laserstrahl wird dazu mittels einer Fokussiereinrichtung 10 fokussiert, welche Teil der Bearbeitungsoptik 4 ist. Die in Fig. 1 vereinfacht dargestellte Fokussiereinrichtung 10 besteht aus einer Linse 11, abweichend davon kann die Fokussiereinrichtung 10 aber auch mehrere Linsen oder ein Objektiv aufweisen. Der fokussierte Laserstrahl 8 tritt durch ein Fenster 12 in die Bearbeitungskammer 5 und trifft auf das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial 6. Durch die lokale Bestrahlung schmilzt das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial 6 in der Pulverschicht lokal auf und erstarrt als Teil des zu fertigenden dreidimensionalen Bauteils 2. The beam source 3 emits a processing beam in the form of a laser beam 8. The laser beam 8 passes through a beam splitter 9 and the processing optics 4, which are designed to locally melt the starting material 6 in powder form by irradiation with the laser beam 8. For this purpose, the laser beam is focused by means of a focusing device 10 which is part of the processing optics 4 . The focusing device 10 shown in simplified form in FIG. 1 consists of a lens 11, but in deviation from this, the focusing device 10 can also have a plurality of lenses or an objective. The focused laser beam 8 enters the processing chamber 5 through a window 12 and hits the starting material 6 in powder form. Due to the local irradiation, the starting material 6 in powder form melts locally in the powder layer and solidifies as part of the three-dimensional component 2 to be manufactured.
Die Bearbeitungsoptik 3 weist weiter eine Scannereinrichtung 13 zum Ablenken des Laserstrahls 8 auf. Die hier vereinfacht dargestellte Scannereinrichtung 13 besteht aus einem um zwei Drehachsen drehbaren Scannerspiegel 14, sie kann aber beispielsweise auch zwei Scannerspiegel in Form von Galvanometerspiegeln aufweisen. Durch ein Ablenken des Laserstrahls 8 mittels der Scannereinrichtung 13 können nahezu beliebige, zunächst noch im Wesentlichen zweidimensionale,The processing optics 3 also have a scanner device 13 for deflecting the laser beam 8 . The scanner device 13 shown here in simplified form consists of a scanner mirror 14 that can be rotated about two axes of rotation, but it can also have two scanner mirrors in the form of galvanometer mirrors, for example. By deflecting the laser beam 8 by means of the scanner device 13, almost any, initially still essentially two-dimensional,
Formen erzielt werden. In jedem weiteren Schritt wird erneut jeweils zunächst eine dünne Schicht aus dem in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6 auf den bereits gefertigten Teil des dreidimensionalen Bauteils 2 aufgetragen. Weiter geht man analog zum ersten Schritt vor. Die aufgetragene Schicht wird also mit dem Laserstrahl 8 lokal bestrahlt, aufgeschmolzen und mit den tieferliegenden Schichten des dreidimensionalen Bauteils 2 stoffschlüssig verbunden. Diese Vorgehensweise wird wiederholt bis alle Schichten des dreidimensionalen Bauteils 2 gefertigt sind. shapes can be achieved. In each further step, a thin layer of the starting material 6 in powder form applied to the part of the three-dimensional component 2 that has already been manufactured. Proceed in the same way as in the first step. The applied layer is thus irradiated locally with the laser beam 8 , melted and bonded to the underlying layers of the three-dimensional component 2 . This procedure is repeated until all layers of the three-dimensional component 2 have been manufactured.
Wie dies in Fig. 2 in einer Detaildarstellung gezeigt ist, bildet sich beim Bestrahlen des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials 6 mit dem Laserstrahl 8 ein Schmelzbad 15 und in einer Umgebung 16 des Schmelzbades 15, hier direkt oberhalb des Schmelzbades 15, ein Plasma 17, das elektromagnetische Strahlung 18 emittiert. Das beim Bestrahlen gebildete Schmelzbad 15 setzt sich durch Wärmeleitung sowohl lateral als auch in der Tiefe in flüssigem Zustand fort. Die Tiefe D des Schmelzbades 15 hängt dabei unter anderem von der Leistung des Laserstrahls 8 ab. Beim in Fig. 2 gezeigten Beispiel ist die Tiefe D des Schmelzbades 15 im Wesentlichen konstant, es versteht sich aber, dass die Tiefe D in der Regel ortsabhängig variiert. Das Plasma 17, welches die elektromagnetische Strahlung 18 emittiert, umfasst Schutzgas G und Schmelzbad-Bestandteile. As is shown in a detailed representation in Fig. 2, when the starting material 6, which is in powder form, is irradiated with the laser beam 8, a molten pool 15 is formed and in an area 16 surrounding the molten pool 15, here directly above the molten pool 15, a plasma 17 forms electromagnetic radiation 18 emitted. The molten bath 15 formed during irradiation continues in the liquid state both laterally and in depth due to heat conduction. The depth D of the melt pool 15 depends, among other things, on the power of the laser beam 8 . In the example shown in FIG. 2, the depth D of the molten bath 15 is essentially constant, but it goes without saying that the depth D generally varies depending on the location. The plasma 17, which emits the electromagnetic radiation 18, includes protective gas G and molten bath components.
Die Fokussiereinrichtung 10 dient im gezeigten Beispiel als Sammeloptik 19, welche die vom Plasma 17 emittierte elektromagnetische Strahlung 18 sammelt. Im dargestellten Fall verlaufen die Strahlengänge des Laserstrahls 8 und der vom Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung 18 folglich teilweise koaxial. Die Sammeloptik 19 muss aber nicht Teil der Bearbeitungsoptik 4 sein. In diesem Fall verlaufen der Strahlengang des Laserstrahls 8 und der Strahlengang der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung 18 nicht koaxial. In the example shown, the focusing device 10 serves as a collecting optics 19 which collects the electromagnetic radiation 18 emitted by the plasma 17 . In the case shown, the beam paths of the laser beam 8 and the electromagnetic radiation 18 emitted by the plasma consequently run partially coaxially. However, the collecting optics 19 do not have to be part of the processing optics 4 . In this case, the beam path of the laser beam 8 and the beam path of the collected electromagnetic radiation 18 do not run coaxially.
Die Vorrichtung 1 weist weiter ein Spektrometer 20 und eine Auswertungseinheit 21 auf. Das Spektrometer 20 dient zur Messung eines Spektrums 22 der gesammelten elektromagnetischen Strahlung 18, die zuvor die Scannereinrichtung 13 und den Strahlteiler 9 passiert hat. Die Auswertungseinheit 21 dient zur Bestimmung von mindestens einem Prozessparameter durch Auswertung des Spektrums 22 der gesammelten elektromagnetischen Strahlung 18. Das in Fig. 1 gezeigte Spektrum 22 weist scharfe, materialspezifische Photoemissionslinien P, mit dazugehörigen Intensitäten I, auf. Die Lage und die Stärke dieser Photoemissionslinien P, ist für eine Vielzahl von Materialien aus Spektroskopiedaten bekannt. Insbesondere, aber nicht notwendigerweise, kann es sich bei den Photoemissionslinien P, um Photoemissionslinien von Schutzgasbestandteilen des Plasmas 17 handeln. Anhand der Intensitäten I, kann eine Temperatur T des Plasmas bestimmt werden, anhand einer Dopplerverschiebung der Photoemissionslinien P, außerdem eine Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 in der Umgebung 16 des Schmelzbades 15. Die Auswertung des Spektrums 22 der vom Plasma 17 emittierten elektromagnetischen Strahlung 18 ist allerdings nicht auf Temperaturen T und Strömungsgeschwindigkeiten v beschränkt. Anhand der Temperatur T des Plasmas 17 kann beispielsweise die Temperatur des Schmelzbades 15 bestimmt werden. Auch die Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 in der Umgebung 16 des Schmelzbades 15 kann indirekt Informationen zur Temperatur des Schmelzbades 15 liefern. The device 1 also has a spectrometer 20 and an evaluation unit 21 . The spectrometer 20 is used to measure a spectrum 22 of the collected electromagnetic radiation 18 that has previously passed through the scanner device 13 and the beam splitter 9 . The evaluation unit 21 serves to determine at least one process parameter by evaluating the spectrum 22 of the collected electromagnetic radiation 18. The spectrum 22 shown in FIG Intensities I, on. The position and strength of these photoemission lines P is known for a large number of materials from spectroscopy data. In particular, but not necessarily, the photoemission lines P can be photoemission lines of protective gas components of the plasma 17 . A temperature T of the plasma can be determined based on the intensities I, based on a Doppler shift of the photoemission lines P, and also a flow velocity v of the plasma 17 in the vicinity 16 of the melt bath 15. The evaluation of the spectrum 22 of the electromagnetic radiation 18 emitted by the plasma 17 is However, not limited to temperatures T and flow velocities v. The temperature T of the plasma 17 can be used, for example, to determine the temperature of the molten bath 15 . The flow velocity v of the plasma 17 in the vicinity 16 of the melt bath 15 can also indirectly provide information on the temperature of the melt bath 15 .
Die Vorrichtung 1 weist auch eine Regelungseinrichtung 23 auf, um die additive Fertigung anhand des mindestens einen Prozessparameters, beispielsweise der Temperatur T oder der Strömungsgeschwindigkeit v, zu regeln. Zu diesem Zweck kann die Regelungseinrichtung 23 Stellgrößen der additiven Fertigung geeignet anpassen. Beispielsweise kann die Regelungseinrichtung 23 auf die Strahlquelle 3 einwirken, um die Leistung des Laserstrahls 8 in Abhängigkeit von der gemessenen Ist-Temperatur T des Plasmas 17 anzupassen, um eine Soll-Temperatur des Plasmas 17 zu erreichen. Eine entsprechende Anpassung einer oder mehrerer Stellgrößen mit Hilfe der Regelungseinrichtung 23 kann auch in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 erfolgen. The device 1 also has a control device 23 in order to control the additive manufacturing based on the at least one process parameter, for example the temperature T or the flow rate v. For this purpose, the control device 23 can suitably adjust manipulated variables of the additive manufacturing. For example, the control device 23 can act on the beam source 3 in order to adapt the power of the laser beam 8 as a function of the measured actual temperature T of the plasma 17 in order to achieve a target temperature of the plasma 17 . A corresponding adjustment of one or more manipulated variables with the aid of the control device 23 can also take place as a function of the flow velocity v of the plasma 17 .
Die Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 verläuft im gezeigten Beispiel im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Schmelzbades 15: Aufgrund der durch die Bestrahlung bedingten starken lokalen Erhitzung kommt es zu einer thermischen Konvektionsströmung 24 (vgl. Fig. 2). Schutzgas G wird seitlich angesaugt und nach oben hin ausgeworfen. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel zeigt die die Bewegungsrichtung 25 des Laserstrahls 8 von links nach rechts, die Bewegung des Laserstrahls 8 hat aber praktisch keinen Einfluss auf die Strömungsrichtung des Plasmas 17, die von dem Spektrometer 20 gemessen wird. Fig. 3 zeigt beispielhaft ein Spektrum 22 der vom Plasma 17, genauer gesagt von in dem Plasma 17 enthaltenen Metallionen, emittierten elektromagnetischen Strahlung 18. Auf der Abszissenachse ist die Wellenlänge l aufgetragen, auf der Ordinatenachse die gemessene Intensität I oder Leistung. Das Spektrum 22 weist scharfe, materialspezifische Photoemissionslinien P, mit entsprechenden Intensitäten auf. Stellvertretend dargestellt sind hier drei Photoemissionslinien Pi, P2, P3 mit drei entsprechenden Intensitäten h, I2, I3, typischerweise weist das Spektrum 22 jedoch mehr als drei Photoemissionslinien P, auf. Die Prozessdynamik beeinflusst die Photoemissionslinien P, folgendermaßen: In the example shown, the flow velocity v of the plasma 17 runs essentially perpendicularly to the surface of the molten bath 15: Due to the strong local heating caused by the irradiation, a thermal convection flow 24 occurs (cf. FIG. 2). Shielding gas G is sucked in from the side and ejected upwards. In the example shown in FIG. 2, the direction of movement 25 of the laser beam 8 is from left to right, but the movement of the laser beam 8 has practically no influence on the direction of flow of the plasma 17, which is measured by the spectrometer 20. 3 shows an example of a spectrum 22 of the electromagnetic radiation 18 emitted by the plasma 17, more precisely by the metal ions contained in the plasma 17. The wavelength 1 is plotted on the abscissa axis and the measured intensity I or power on the ordinate axis. The spectrum 22 has sharp, material-specific photoemission lines P with corresponding intensities. Three photoemission lines P 1 , P 2 , P 3 with three corresponding intensities h, I 2 , I 3 are represented here, but typically the spectrum 22 has more than three photo emission lines P 1 . The process dynamics affect the photoemission lines P as follows:
(1) Die Stärke (Helligkeit der Emission) der Übergänge ist temperaturabhängig. (1) The strength (brightness of the emission) of the transitions depends on the temperature.
(2) Die Relativbewegung der Atome aufgrund von Konvektion führt zu einer Dopplerverschiebung der Wellenlänge l der vom Plasma 17 emittierten Strahlung (Blauverschiebung). (2) The relative motion of the atoms due to convection leads to a Doppler shift in the wavelength l of the radiation emitted by the plasma 17 (blue shift).
Diese Veränderungen werden von der Auswertungseinheit 21 genutzt, um die Temperatur T und die Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 zu bestimmen. Die Temperatur T des Plasmas ergibt sich jeweils paarweise aus zwei der drei Intensitäten h, I2, I3 der Photoemissionslinien Pi, P2, P3, den Energiedifferenzen DE12,DE13,DE23 der Übergänge und den Übergangskoeffizienten g1,g2,g3 gemäß
Figure imgf000019_0001
wobei kB die Boltzmann-Konstante ist und i,j = 1,2,3; i ^ j- Aus den drei Photoemissionslinien Pi, P2, P3 ergeben sich also drei Temperaturen T. Für die weitere Auswertung bzw. für die Bestimmung einer einzigen Temperatur T des Plasmas 17 wird aus diesen drei Temperaturen T von der Auswertungseinrichtung 21 beispielweise ein Mittelwert gebildet. Zieht man weitere Photoemissionslinien P, zur Auswertung heran, kann die statistische Genauigkeit erhöht werden. Die in Detektionsrichtung vorherrschende Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 ergibt sich aus der Dopplerverschiebung der Photoemissionslinien P,. Durch den Dopplereffekt weicht die gemessene Frequenz f einer Photoemissionslinie P, von der Frequenz /0 der Photoemissionlinie P,, die man ohne jegliche Relativbewegung messen würde, ab. Es gilt der aus der speziellen Relativitätstheorie bekannte Ausdruck c + v f = /o C — V mit der Lichtgeschwindigkeit c. Damit ergibt sich eine Frequenzverschiebung D/ von
Figure imgf000020_0001
These changes are used by the evaluation unit 21 to determine the temperature T and the flow rate v of the plasma 17 . The temperature T of the plasma results in pairs from two of the three intensities h, I2, I3 of the photoemission lines Pi, P2, P3, the energy differences DE 12 ,DE 13 ,DE 23 of the transitions and the transition coefficients g 1 ,g 2 ,g 3 according to
Figure imgf000019_0001
where k B is the Boltzmann constant and i,j = 1,2,3; The three photoemission lines P1, P2, P3 therefore result in three temperatures T. For further evaluation or for determining a single temperature T of the plasma 17, these three temperatures T are used by the evaluation device 21 to form an average value, for example educated. If further photoemission lines P i are used for the evaluation, the statistical accuracy can be increased. The flow velocity v of the plasma 17 prevailing in the direction of detection results from the Doppler shift of the photoemission lines P 1 . Due to the Doppler effect, the measured frequency f of a photoemission line P, deviates from the frequency / 0 of the photoemission line P, which would be measured without any relative movement. The expression c + vf = /o C — V known from the special theory of relativity applies with the speed of light c. This results in a frequency shift D/ of
Figure imgf000020_0001
Aus der Frequenzverschiebung ergibt sich die durch den Dopplereffekt bedingte Doppler- bzw. Wellenlängenverschiebung DC zu
Figure imgf000020_0002
The Doppler or wavelength shift DC caused by the Doppler effect results from the frequency shift
Figure imgf000020_0002
Für Strömungsgeschwindigkeiten v, die klein sind gegenüber der Lichtgeschwindigkeit c, ergibt sich als Approximation
Figure imgf000020_0003
oder für die Geschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Wellenlängenverschiebung
Figure imgf000020_0004
For flow velocities v, which are small compared to the speed of light c, the approximation results
Figure imgf000020_0003
or for the velocity v as a function of the wavelength shift
Figure imgf000020_0004
Als Beispiel sei die Photoemissionslinie P, eines Eisen-Plasmas betrachtet, die ohne Relativbewegung eine Frequenz von /0 = 684 1012 Hz, entsprechend einer Wellenlänge von XQ = 438 nm aufweist. Eine typische Strömungsgeschwindigkeit in Detektionsrichtung aufgrund von Konvektion von v = 50^ resultiert in einer Frequenzverschiebung von 114 MHz,
Figure imgf000020_0005
entsprechend einer Wellenlängenverschiebung von 0,073 pm.
As an example, consider the photoemission line P, of an iron plasma, which without relative movement has a frequency of / 0 = 684 10 12 Hz, corresponding to a wavelength of X Q = 438 nm. A typical flow velocity in the direction of detection due to convection of v = 50^ results in a frequency shift of 114 MHz,
Figure imgf000020_0005
corresponding to a wavelength shift of 0.073pm.
Die Detektion der sehr kleinen Wellenlängenverschiebung DL beziehungsweise Frequenzverschiebung D/ von weniger als 0,1 pm beziehungsweise betragsmäßig weniger als ca. 120 MHz ist eine Herausforderung. Als kostengünstige Lösung bietet sich die Verwendung eines Scanning Fabry-Perot Interferometers als Spektrometer 20 an, womit eine Frequenzauflösung von 1-2 MHz erreicht wird. The detection of the very small wavelength shift DL or frequency shift D/ of less than 0.1 pm or less than approx. 120 MHz is a challenge. The use of a scanning Fabry-Perot interferometer as a spectrometer 20 offers a cost-effective solution, with which a frequency resolution of 1-2 MHz is achieved.
Zusammenfassend ermöglichen das weiter oben beschriebene Verfahren und die weiter oben beschriebene Vorrichtung 1 eine direkte, störungsfreie Messung von Prozessparametern wie der Temperatur T innerhalb der Prozesszone und der Strömungsgeschwindigkeit v oberhalb des Schmelzbades 15. In summary, the method described above and the device 1 described above enable a direct, trouble-free measurement of process parameters such as the temperature T within the process zone and the flow rate v above the melt bath 15.
Die Fig. 4 zeigt den Verlauf der Temperatur T des Plasmas 17 über die Zeit t für eine Variante des in der Fig. 2 dargestellten Verfahrens, wobei durch die Regelung die Temperatur T des Plasmas 17 oberhalb eines Minimalwerts Tmin und unterhalb eines Maximalwerts Tmax gehalten wird. Beim Unterschreiten des Minimalwerts Tmin ist eine vollständige Durchschmelzung des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials 6 nicht mehr gewährleistet. Beim Überschreiten des Maximalwerts Tmax kommt es zu einer Überhitzung des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials 6 mit der Folge einer zu langsamen Erstarrung bzw. der Bildung eines zu großen Schmelzbades 15. Der Minimalwert Tmin und der Maximalwert Tmax der Temperatur T des Plasmas 17, bei denen die beschriebenen Effekte auftreten, hängen von verschiedenen Parametern ab, beispielsweise von der Art des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials 6, und können vorab z.B. durch Versuche ermittelt werden. 4 shows the course of the temperature T of the plasma 17 over time t for a variant of the method shown in FIG. 2, the temperature T of the plasma 17 being controlled above a minimum value T min and below a maximum value T max is held. If the minimum value T min is not reached, complete melting of the starting material 6 present in powder form is no longer guaranteed. If the maximum value T max is exceeded, the starting material 6 present in powder form overheats, with the result that solidification is too slow or the formation of a molten pool 15 that is too large. The minimum value T min and the maximum value T max of the temperature T of the plasma 17, where the effects described occur depend on various parameters, for example on the type of starting material 6 present in powder form, and can be determined in advance, for example by tests.
In der Fig. 5 ist eine schematische Aufsicht des in der Fig. 2 gezeigten Schmelzbades 15 mit dem umgebenden in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterial 6, sowie dem bereits gefertigten Teil des dreidimensionalen Bauteils 2 dargestellt. Die Breite w des Schmelzbades 15, die in Fig. 5 zur Vereinfachung der Darstellung im Wesentlichen konstant ist, bezeichnet die (maximale) Ausdehnung des Schmelzbades 15 senkrecht zur Bewegungsrichtung 25 des Laserstrahls 8 an der Oberseite des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials 6. Die in der Fig. 1 gezeigte Regelungseinrichtung 23 kann insbesondere dergestalt ausgebildet sein, dass das Verhältnis w/D zwischen der in Fig. 5 gezeigten (maximalen) Breite w des Schmelzbades 15 und der in der Fig. 2 gezeigten (maximalen) Tiefe D des Schmelzbades 15 zwischen 4:1 und 1 :2, zwischen 2:1 und 1 :1 ,5, oder zwischen 1 ,5:1 und 1 :1 ,2, liegt. Bei einem Schmelzbad 15 mit einem Verhältnis w / D im angegebenen Wertebereich wird der additive Fertigungsprozess im Grenzbereich zwischen Tiefschweißen und Wärmeleitschweißen durchgeführt, wodurch sich die Vorteile beider Prozessarten miteinander kombinieren lassen. FIG. 5 shows a schematic plan view of the molten bath 15 shown in FIG. 2 with the surrounding starting material 6 in powder form and the part of the three-dimensional component 2 that has already been manufactured. The width w of the melt bath 15, which is essentially constant in Fig. 5 to simplify the illustration, designates the (maximum) extent of the melt bath 15 perpendicular to the direction of movement 25 of the laser beam 8 on the upper side of the starting material 6 present in powder form. The control device 23 shown in Fig. 1 can be designed in particular in such a way that the ratio w/D between the (maximum) width w of the melt pool 15 shown in Fig. 5 and the (maximum) depth D of the melt bath shown in Fig. 2 Melt bath 15 is between 4:1 and 1:2, between 2:1 and 1:1.5, or between 1.5:1 and 1:1.2. In the case of a melt pool 15 with a ratio w/D in the specified value range, the additive manufacturing process is carried out in the border area between deep welding and heat conduction welding, as a result of which the advantages of both types of process can be combined with one another.
Um den Fertigungsprozess in diesem Grenzbereich zu halten, kann beispielsweise die in Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebene Regelung der Temperatur T des Plasmas 17 zwischen dem Minimalwert Tmin und dem Maximalwert Tmax durchgeführt werden. Da sich beim Tiefschweißen eine Keyhole in dem Schmelzbad 15 ausbildet, bewegen sich Spritzer von Schmelzbad-Bestandteilen in dem Plasma 17 oberhalb des Schmelzbades 15 beim Tiefschweißen schneller als dies beim Wärmeleitschweißen der Fall ist. Mit Hilfe der weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 bzw. von Bestandteilen des Plasmas 17 anhand der Dopplerverschiebung AK kann daher auf besonders einfache Weise der Übergang zwischen dem Wärmeleitschweißen und dem Tiefschweißen erkannt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit v des Plasmas 17 stellt somit einen Prozessparameter dar, der sich für die Regelung des Verfahrens zur additiven Fertigung in dem Grenzbereich zwischen Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen besonders gut eignet. In order to keep the production process in this limit range, the regulation of the temperature T of the plasma 17 between the minimum value Tmin and the maximum value Tmax can be carried out, for example, as described in connection with FIG. 4 . Since a keyhole is formed in the molten pool 15 during deep welding, spatters of molten pool components in the plasma 17 above the molten pool 15 move faster during deep welding than is the case with heat conduction welding. With the help of the determination of the flow velocity v of the plasma 17 or components of the plasma 17 using the Doppler shift AK described above in connection with FIG. The flow speed v of the plasma 17 thus represents a process parameter that is particularly well suited for controlling the method for additive manufacturing in the border area between heat conduction welding and deep welding.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile (2), bei dem ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial (6) mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (8), lokal aufgeschmolzen wird und sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von mindestens einem Prozessparameter (T, v) der additiven Fertigung ein Spektrum (22) einer von einem Plasma (17), das sich beim Aufschmelzen in einer Umgebung (16) des Schmelzbades (15) bildet, emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) gemessen und ausgewertet wird. 1. A method for the additive manufacturing of three-dimensional components (2), in which a starting material (6) in powder form is melted locally by means of a processing beam, in particular a laser beam (8), and a molten bath (15) forms as a result of the melting, characterized that for the detection of at least one process parameter (T, v) of additive manufacturing, a spectrum (22) of a plasma (17), which forms during melting in an area (16) of the melt pool (15), emitted electromagnetic radiation ( 18) is measured and evaluated.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Temperatur (T) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) ist, wobei die Temperatur (T) anhand von Intensitäten ( ) von mindestens zwei Photoemissionslinien (Pi) im Spektrum (22) der vom Plasma (17) emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) bestimmt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the process parameter or one of the process parameters is a temperature (T) of the plasma (17) in the vicinity (16) of the molten bath (15), the temperature (T) being determined on the basis of intensities ( ) of at least two photoemission lines (Pi) in the spectrum (22) of the plasma (17) emitted electromagnetic radiation (18) is determined.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Strömungsgeschwindigkeit ( v ) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) ist, wobei die Strömungsgeschwindigkeit ( v ) anhand mindestens einer Dopplerverschiebung (Dl) von mindestens einer Photoemissionslinie (P,) im Spektrum (22) der vom Plasma (17) emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) bestimmt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the process parameter or one of the process parameters is a flow rate (v) of the plasma (17) in the vicinity (16) of the molten bath (15), the flow rate (v) being determined on the basis of at least a Doppler shift (Dl) of at least one photoemission line (P,) in the spectrum (22) of the plasma (17) emitted electromagnetic radiation (18) is determined.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Photoemissionslinie (Pi) oder mindestens einer der Photoemissionslinien (Pi) um eine Photoemissionslinie von Schutzgasbestandteilen des Plasmas (17) handelt. 4. The method according to any one of claims 2 or 3, characterized in that it is the photoemission line (Pi) or at least one of Photoemission lines (Pi) is a photoemission line of protective gas components of the plasma (17).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Prozessparameter (T, v) oder die erfassten Prozessparameter (T, v) zur Regelung des Verfahrens zur additiven Fertigung eingesetzt werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the recorded process parameter (T, v) or the recorded process parameters (T, v) are used to control the method for additive manufacturing.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelung der erfasste Prozessparameter (T, v) oder mindestens einer der erfassten Prozessparameter (T, v) oberhalb eines Minimalwerts (Tmin) und/oder unterhalb eines Maximalwerts (Tmax) gehalten wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that the recorded process parameter (T, v) or at least one of the recorded process parameters (T, v) is kept above a minimum value (Tmin) and/or below a maximum value (Tmax) by the regulation .
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelung das Verhältnis zwischen einer Breite (w) des Schmelzbades (15) und einer Tiefe (D) des Schmelzbades (15) zwischen 4:1 und 1 :2, bevorzugt zwischen 2:1 und 1:1,5, besonders bevorzugt zwischen 1,5:1 und 1:1,2, liegt. 7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the ratio between a width (w) of the melt pool (15) and a depth (D) of the melt pool (15) is preferably between 4:1 and 1:2 as a result of the regulation between 2:1 and 1:1.5, more preferably between 1.5:1 and 1:1.2.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Strahlengang des Laserstrahls (8) und ein Strahlengang der von dem Plasma (17) emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) zumindest teilweise koaxial verlaufen. 8. The method as claimed in one of the preceding claims, in which a beam path of the laser beam (8) and a beam path of the electromagnetic radiation (18) emitted by the plasma (17) run at least partially coaxially.
9. Vorrichtung (1 ) zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile (2), umfassend 9. Device (1) for the additive manufacturing of three-dimensional components (2), comprising
- eine Strahlquelle (3), die einen Bearbeitungsstrahl, insbesondere einen Laserstrahl (8), emittiert und - A beam source (3) which emits a processing beam, in particular a laser beam (8), and
- eine Bearbeitungsoptik (4), die ausgebildet ist, ein in Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial (6) durch Bestrahlung mit dem Bearbeitungsstrahl lokal aufzuschmelzen, wobei sich durch das Aufschmelzen ein Schmelzbad (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weitergehend umfasst: - Processing optics (4) which are designed to locally melt a starting material (6) in powder form by irradiation with the processing beam, with the melting forming a melt pool (15), characterized in that the device further comprises:
- eine Sammeloptik (19), die ausgebildet ist, eine von einem Plasma (17), das sich beim Aufschmelzen in einer Umgebung (16) des Schmelzbades (15) bildet, emittierte elektromagnetische Strahlung (18) zu sammeln, - A collecting optics (19), which is designed to receive a plasma (17) that is formed during melting in an area (16) of the molten bath (15) forms to collect emitted electromagnetic radiation (18),
- ein Spektrometer (20) zur Messung eines Spektrums (22) der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung (18) und - a spectrometer (20) for measuring a spectrum (22) of the collected electromagnetic radiation (18) and
- eine Auswertungseinheit (21 ) zur Bestimmung von mindestens einem Prozessparameter (T, v) durch Auswertung des Spektrums (22) der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung (18). - An evaluation unit (21) for determining at least one process parameter (T, v) by evaluating the spectrum (22) of the collected electromagnetic radiation (18).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der10. The device according to claim 9, characterized in that the
Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Temperatur (T) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) ist und die Auswertungseinrichtung (21) ausgebildet ist, die Temperatur (T) anhand von Intensitäten (I,) von mindestens zwei Photoemissionslinien (P,) im Spektrum (22) der aufgesammelten elektromagnetischen Strahlung (18) zu bestimmen. Process parameters or one of the process parameters is a temperature (T) of the plasma (17) in the area (16) of the melt pool (15) and the evaluation device (21) is designed to determine the temperature (T) based on intensities (I,) of at least to determine two photoemission lines (P i ) in the spectrum (22) of the collected electromagnetic radiation (18).
11.Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter oder einer der Prozessparameter eine Strömungsgeschwindigkeit ( v ) des Plasmas (17) in der Umgebung (16) des Schmelzbades (15) ist, und die Auswertungseinrichtung (21) ausgebildet ist, die Strömungsgeschwindigkeit ( v ) anhand mindestens einer Dopplerverschiebung (Dl) von mindestens einer Photoemissionslinie (P,) im Spektrum (22) der vom Plasma (17) emittierten elektromagnetischen Strahlung (18) zu bestimmen. 11. Device according to claim 9 or 10, characterized in that the process parameter or one of the process parameters is a flow rate (v) of the plasma (17) in the vicinity (16) of the molten bath (15), and the evaluation device (21) is designed to determine the flow velocity (v) based on at least one Doppler shift (Dl) of at least one photoemission line (P,) in the spectrum (22) of the plasma (17) emitted electromagnetic radiation (18).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Photoemissionslinie (Pi) oder mindestens einer der Photoemissionslinien (Pi) um eine Photoemissionslinie von Schutzgasbestandteilen des Plasmas (17) handelt. 12. Device according to one of claims 10 or 11, characterized in that the photoemission line (Pi) or at least one of the photoemission lines (Pi) is a photoemission line of protective gas components of the plasma (17).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Regelungseinrichtung (23) zur Regelung der additiven Fertigung anhand des mindestens einen Prozessparameters (T, v) umfasst. 13. Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the device comprises a control device (23) for controlling the additive manufacturing based on the at least one process parameter (T, v).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (23) ausgebildet ist, den erfassten Prozessparameter (T, v) oder mindestens einen der erfassten Prozessparameter (T, v) oberhalb eines Minimalwerts (Tmin) und/oder unterhalb eines Maximalwerts (Tmax) zu halten. 14. The device according to claim 13, characterized in that the control device (23) is designed to use the detected process parameters (T, v) or at least one of the recorded process parameters (T, v) above a minimum value (Tmin) and/or below a maximum value (Tmax).
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (23) ausgebildet ist, ein Verhältnis zwischen einer Breite (w) des Schmelzbades (15) und einer Tiefe (D) des Schmelzbades (15) zwischen 4:1 und 1:2, bevorzugt zwischen 2:1 und 1:1,5, besonders bevorzugt zwischen 1,5:1 und 1:1,2, zu erzeugen. 15. Device according to claim 13 or 14, characterized in that the control device (23) is designed to set a ratio between a width (w) of the molten bath (15) and a depth (D) of the molten bath (15) between 4:1 and 1:2, preferably between 2:1 and 1:1.5, particularly preferably between 1.5:1 and 1:1.2.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl ein Laserstrahl (8) ist und zumindest Teile der Bearbeitungsoptik (4) die Sammeloptik (19) bilden. 16. Device according to one of claims 9 to 15, characterized in that the processing beam is a laser beam (8) and at least parts of the processing optics (4) form the collecting optics (19).
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