WO2023232545A1 - Verfahren und system zur steuerung eines fertigungsprozesses zur additiven fertigung eines bauteils - Google Patents

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WO2023232545A1
WO2023232545A1 PCT/EP2023/063677 EP2023063677W WO2023232545A1 WO 2023232545 A1 WO2023232545 A1 WO 2023232545A1 EP 2023063677 W EP2023063677 W EP 2023063677W WO 2023232545 A1 WO2023232545 A1 WO 2023232545A1
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WO
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measured values
building material
gas
contamination
manufacturing
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PCT/EP2023/063677
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Martin Heugel
Ulrich Kleinhans
Johannes RUMPEL
Philip STRÖBEL
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
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    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for controlling a manufacturing process for the additive manufacturing of a component in a device, wherein building material is layered on a construction site, in particular between the application of two material layers of building material, by a, in particular selective, solidification of building material by means of irradiation of the Building material is built with at least one energy beam.
  • additive manufacturing processes are those manufacturing processes in which a manufactured product (“component”) is usually built on the basis of digital 3D design data by depositing material (the “construction material”). The structure is usually, but not necessarily, done in layers.
  • 3D printing is often used as a synonym for additive manufacturing; the production of models, samples and prototypes with additive manufacturing processes is often referred to as “rapid prototyping”, the production of tools as “rapid tooling” and flexible Production of series components is referred to as “rapid manufacturing”.
  • a key point is the selective solidification of the building material, with this solidification being achieved in many manufacturing processes with the help of irradiation with radiant energy, e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such as. B. electron radiation can take place.
  • radiant energy e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such as. B. electron radiation can take place.
  • processes that work with irradiation are “selective laser sintering” or “selective laser melting”.
  • Thin layers of a mostly powdery building material are repeatedly applied one on top of the other and in each layer the building material is selectively solidified by spatially limited irradiation of the areas that are to be part of the component to be manufactured after production in a “welding process” in which the powder grains of the building material are with the help partially or completely melted by the energy introduced locally at this point by the radiation. During cooling, these powder grains then solidify together to form a solid.
  • the energy beam is usually guided across the construction area along solidification paths and the material in the respective layer is remelted or solidified in the form of “welding paths” or “welding beads”, see above that ultimately there are a large number of such layers formed from welding tracks in the component. In this way, components with very high quality and breaking strength can now be manufactured.
  • the manufacturing process often takes place in a protective gas atmosphere.
  • a process gas e.g. argon
  • flows through the process chamber As a rule, the process gas is then not released into the environment, but is fed back into the process chamber.
  • the process gas within this gas circuit is contaminated with particles. These can be particles of the building material, but also particles that arise during the solidification process.
  • additional particles are introduced into the process gas stream, for example a passivating agent such as lime, which in the case of a metallic construction material can be added to the process gas flowing out of the process chamber for fire protection reasons.
  • permeability at the filter stage can have major disadvantages in terms of the quality of the manufactured components, but also damage to machines, especially because it can remain undetected for a long time.
  • process gas is filtered, for example, using a two-stage filter system.
  • Filter breakthroughs on the main filter (or pre-filter) can be compensated for and indirectly detected with the help of a downstream fine filter (often a non-cleanable storage filter), as this becomes clogged relatively quickly in the event of a breakthrough, which leads to increased differential pressure on the filter, which is detected by a differential pressure sensor or whereby a pressure switch can be activated, which in turn can lead to production being aborted.
  • the first filter stage allows a small proportion of particles to pass through.
  • the fine filter reduces this proportion, for example, to a minimum of fine particles (condensate) that reaches the clean gas side of the process gas circuit.
  • the filtrate is first mixed with lime powder just upstream of the filter, with a downstream fine or storage filter being dispensed with.
  • lime Due to the permeability of the filter, lime can also reach the clean gas side of the process gas circuit unnoticed and be introduced into the process chamber during the ongoing construction process.
  • the lime can settle as dust on the powder bed or on the solidified areas and be integrated into the structure of a component. This can affect component properties such as its strength.
  • a method according to the invention is used to control a manufacturing process for the additive manufacturing of a component in a device, with building material being solidified on a construction field in a process space by irradiating the building material with at least one energy beam and with a process gas laden with impurities being removed from the process space through a gas line, is filtered and returned to the process room.
  • the procedure includes the following steps:
  • building material is built up in layers, ie one after the other in several material application levels or material layers.
  • the construction material is preferably a metal powder.
  • the invention is not limited to this, but can also be used with other, preferably powdery, construction materials, such as plastics or ceramics or mixtures of the various materials.
  • building material is solidified (in particular selectively) by irradiating the building material at least one energy beam generated by an irradiation unit of the manufacturing device (this means an energetic beam of photons or particles, for example a light beam or an electron beam).
  • an energy beam generated by an irradiation unit of the manufacturing device this means an energetic beam of photons or particles, for example a light beam or an electron beam.
  • the energy beam usually goes a little deeper into the material bed and also reaches underlying, already remelted material from previously applied material layers.
  • “Contamination” basically means any solid or liquid particles that contaminate the process gas. This includes, in particular, discharge materials or other contaminants from the process chamber, but can also include contaminants that arise downstream of the process chamber, in particular based on added passivating agents.
  • contaminants can be understood as smoke particles or particles of the building material (discharge material) or lime (passivating agent) or mixtures of these particles.
  • the degree of contamination means the amount of impurities in the process gas. This level can generally be stated as a proportion of particles or “contaminant elements”, but materials that contaminate the process gas can also be broken down proportionately.
  • Contamination of the process gas can be caused by a variety of processes, for example the contamination depends on the flow speed, in particular on the injection or suction, of the process gas, but also on the dosing process (powder can be caused by rotating the roller for too long or due to a defect in the powder seal trickle out of the doser), the coater journey (powder that has not yet settled on the powder bed after coating is captured by the gas flow and further whirled up), the construction process or the laser activity, a collision between the coater and the component (swirling of powder), defects or design defects (dust collects on the coater and is whirled up by blowing in), operating errors (e.g. forgetting to install the sealing lip on the dosing device) or disregarding cleaning cycles (dust settling on surfaces).
  • the contamination depends on the flow speed, in particular on the injection or suction, of the process gas, but also on the dosing process (powder can be caused by rotating the roller for too long or due to a defect in the powder
  • a contamination measuring unit which can be, for example, a dust sensor known from the prior art.
  • a measurement can in particular visually, e.g. via clouding according to the smoke detector principle, acoustically, e.g. via ultrasound, e.g. B. triboelectrically based on the principle of ionization smoke detectors, electrochemically or electromagnetically, for example using a microwave Doppler sensor. It is also preferred to use thermo-optical measuring devices that may be available for process monitoring with regard to characteristic measured values caused by the interaction of a laser beam with an impure process atmosphere, or by changes in processes in the melt pool due to this very interaction.
  • a preferred measuring unit is minimally invasive, easy to integrate into a system, wear-free and reliable, as well as cost-effective.
  • the contamination measuring unit measures the particle load of the process gas flowing past, in particular on the clean gas side of the process gas circuit, i.e. between a filter and the entrance to the process chamber.
  • the measurement can be carried out continuously or intermittently.
  • a preferred arrangement of a sensor of the contamination measuring unit in the machine is such that the sensor can detect approximately the entire inside diameter of the pipe in which it is arranged. If it is arranged in an area of the outlet pipe, the sensor should be arranged where this pipe runs straight for as long as possible, in particular when the area is divided into a third, preferably two thirds of the distance downstream of the nearest bend and one third of the distance upstream of the nearest bend. When measuring, the flow in the pipe should be as homogeneous as possible and run freely. With regard to the alignment of the sensor to the pipe cross section (360°), the sensor is preferably 90° to the main flow direction and detects the widest possible spectrum of load mass flows, i.e. it should be positioned along the maximum diameter of the pipe.
  • the measured values recorded by the contamination measuring unit should allow a conclusion to be drawn about the degree of contamination of the process gas flowing through the gas line during the recording.
  • each measured value directly indicates this respective degree of contamination or represents a value with which the degree of contamination can be determined, for example based on powder bed monitoring.
  • Preferred measured values indicate, for example, the total number of particles per time, but can also indicate a mass or electrical charge of the individual particles, in which case an additional measurement of the flow velocity could also be helpful.
  • it can also be advantageous to measure the homogeneity or heterogeneity of the flow ie whether there are largely the same or different flow velocities across the internal cross-section of the pipe. Further preferred measured values indicate a distribution of particles in the flow across the internal cross section of the pipe.
  • the concentration of particles, in particular heavier particles can be higher due to the effect of centrifugal force.
  • All measurements are preferred that provide information about how many particles flow back into the process chamber together with the process gas.
  • the degree of contamination at the gas outlet of the process chamber in the raw gas line alone can be measured.
  • the evaluation of the number of measured values is preferably carried out with regard to the quality of the components. If the contamination of the process gas is too great, this should be counteracted so that these contaminations do not unduly affect the process chamber and the components to be manufactured in it. For example, it can easily be checked whether the level of impurities in the process gas is above a predetermined limit, in particular for a lime content of the particles. However, other indicators would also be possible, for example a sudden increase in the level of contamination or an increase in a certain concentration of certain particles, for example larger particles or lime particles.
  • the contamination measuring unit can be integrated into a diagnostic system in which, for example, the measured values are combined with measured values from another sensor system (e.g. as part of a “differential diagnostics”).
  • the measured values could be linked to control data from the control of all moving elements in the process chamber (coater including individual parts, etc.) as well as the gas injection or gas extraction, or a temporal correlation could be formed between an increase in powder discharge and a specific event or .Activity of a specific component. Connections between error events can also be formed via other sensors or signals can be weighted and interpreted and thus components or events that cause errors can be limited.
  • a manufacturing process can be interrupted until the degree of contamination is again within a tolerable range. However, a warning can also be issued, for example that a filter break is likely.
  • a warning signal is issued when a threshold value is exceeded, for example when the total amount of powder discharged is too large or when defined limit values for local maxima/minima or curve slopes are exceeded.
  • a threshold value for example when the total amount of powder discharged is too large or when defined limit values for local maxima/minima or curve slopes are exceeded.
  • an error diagnosis can be carried out to determine where the error could be.
  • a system according to the invention is used to control a manufacturing process for the additive manufacturing of a component in a device, with building material being solidified on a construction field in a process space by irradiating the building material with at least one energy beam and with a process gas loaded with impurities being removed from the process space through a gas line, is filtered and returned to the process room.
  • the system is designed in particular to carry out the method according to the invention and includes the following components:
  • a contamination measuring unit designed to record a number of measured values, whereby each measured value allows a conclusion to be drawn about the respective degree of contamination in the process gas flowing through the gas line,
  • control unit designed to control the device and/or an output device connected to the manufacturing process in terms of data technology depending on the number of measured values.
  • the invention has the advantage that particle-contaminated process gas can be detected and, if necessary, a process stop can be initiated or a warning can be issued. This prevents component defects caused by an inadequately filtered process atmosphere, which could potentially remain undetected for a long time. Contamination can both degrade the manufacturing process directly by interfering with the laser beam and result in contaminated powder, which, even if subsequently sieved, can cause difficult-to-detect damage to parts made from it. In particular, minimal filter breakthroughs that do not lead to a job being aborted based on other control mechanisms (e.g. due to an abrupt, significant drop in back pressure regardless of a cleaning process), can be reliably determined by the invention. This makes it possible to prevent the quality of the component from being impaired, particularly due to excessive introduction of lime (passivating agent), over a longer period of time during which the process gas purification system supposedly functions perfectly.
  • a device according to the invention for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which building material is solidified on a construction field in a process space by irradiating the building material with at least one energy beam, comprises the following components:
  • the contamination measuring unit of the system is arranged in the gas line, preferably on a clean gas side of the gas line.
  • the filter unit is preferably designed to have at most two stages, preferably at most one stage. “Single-stage” means that the filter unit can include filter elements connected in parallel, but not in series. It is preferred that at least one filter element, preferably all filter elements of the filter unit, is/are designed to be cleaned before, during or after a manufacturing process. This means that the filter is not a storage filter.
  • a particle separation unit is preferably connected upstream of the filter unit.
  • the device according to the invention can also have several irradiation devices, which are then controlled in a coordinated manner with the control data, as mentioned above.
  • the energy beam can also consist of several superimposed energy beams or that the energy beam is both particle radiation and electromagnetic radiation, such as. B. light or preferably laser radiation.
  • a control device is used to control a device for a manufacturing process for the additive manufacturing of a component, with building material being solidified on a construction field in a process space by means of irradiation with at least one energy beam and with a process gas loaded with impurities being removed from the process space through a gas line, filtered and is returned to the process room.
  • the control device is designed to: To control the manufacturing device according to the method according to the invention, or it comprises a system according to the invention.
  • the system according to the invention can be implemented in particular in the form of a computer unit, in particular in a control device, with suitable software.
  • the computer unit can, for example, have one or more cooperating microprocessors or the like.
  • it can be implemented in the form of suitable software program parts in the computer unit.
  • a largely software-based implementation has the advantage that previously used computer units, in particular in control devices of manufacturing devices, can be easily retrofitted by a software or firmware update in order to work in the manner according to the invention.
  • a corresponding computer program product with a computer program which can be loaded directly into a storage device of a computer unit, with program sections in order to carry out all steps of the method according to the invention when the program is executed in the computer unit.
  • a computer program product may optionally contain additional components such as: B. documentation and / or additional components, including hardware components, such as. B. Hardware keys (dongles etc.) for using the software.
  • a computer-readable medium for example a memory stick, a hard drive or another transportable or permanently installed data carrier, on which the program sections of the computer program that can be read and executed by a computer unit are stored, can be used for transport to the computer unit and/or for storage on or in the computer unit.
  • a predetermined maximum contamination e.g. a particle concentration
  • a warning message (a message) or a warning signal (e.g. an acoustic or optical signal)
  • a warning signal e.g. an acoustic or optical signal
  • the evaluation of the number of measured values is carried out taking into account a number of process parameters of the device that are characteristic of additive manufacturing of a component. This happens in particular under the assumption that the impurities detected are process-related discharge material (particularly powdery application material) and/or passivating agents (particularly lime).
  • the device is controlled by means of a, in particular automatic, control or regulation of the number of process parameters depending on the evaluation of the number of measured values, with preference being given to optimization and/or error detection with regard to the control or regulation of the number of process parameters in relation to at least one process parameter based on the evaluation of the number of measured values.
  • Optimization or error detection in relation to at least one process parameter can be carried out on the basis of targeted tests or based on estimates. For example, when measuring build-up material in the process gas stream, the flow of the process gas through the process chamber can be specifically changed or the energy beam can be regulated when measuring smoke particles.
  • a process parameter of the number of process parameters is characteristic of at least one of the following criteria:
  • the at least one energy beam which causes the selective solidification of the building material in particular its wavelength, intensity, intensity distribution, beam diameter, beam cross section, deflection direction, direction of movement or speed of movement within the construction field,
  • the evaluation determines whether a measured value or a course of a plurality of measured values is within a predetermined value range.
  • the number of measured values is preferably evaluated in a special way, for example by
  • the checking of the number of measured values for the repeating measured value pattern preferably includes detecting repeatedly occurring measured value anomalies (e.g. temporary measured value fluctuations), in particular those that are in comparison to the predetermined period of time occur briefly during measurement recording.
  • the evaluation of the number of measured values preferably includes a formation of a temporal correlation between a result of recording the number of measured values and at least one process parameter of the device, which is characteristic of additive manufacturing of a component. Examples of such process parameters are mentioned above.
  • the acquisition of a number of measured values, and preferably also the control or regulation of the process parameter takes place during additive manufacturing of a component, preferably continuously or at regular time intervals.
  • the building material is at least partially powdery and preferably comprises a metal powder.
  • a passivating agent preferably lime particles
  • this passivating agent can lead to quality losses if it enters the process space.
  • the use of the method according to the invention is therefore particularly advantageous here.
  • the construction material is fed into the process space to produce a component.
  • a dosing device and/or a coater is arranged in the process space, which applies the building material in layers within a construction area.
  • the building material is preferably metered using the metering device and/or the coater, which can also be done in a different manner based on the measured values (i.e. deviating from a previously specified type and manner).
  • the metering device and/or the coater is preferably moved, possibly also in a modified manner.
  • the contamination measuring unit comprises a filter breakage sensor, in particular based on the triboelectric effect, and/or an optical turbidity sensor, and/or a camera, which in particular monitors the brightness of images recorded through the process atmosphere, and/or a thermo-optical measuring device and/or a system designed for powder bed monitoring and/or a measuring device for comparatively measuring a pressure (the differential pressure) at two parallel filter stages.
  • a filter breakage sensor in particular based on the triboelectric effect
  • an optical turbidity sensor and/or a camera, which in particular monitors the brightness of images recorded through the process atmosphere
  • a filter break sensor is usually placed downstream of a particulate filter to check or document the degree of its cleaning effect.
  • Such a filter break sensor often works according to the principle of triboelectricity, ie the electrical Irish charging of particles through friction.
  • Such a sensor can be designed as a metal rod that penetrates a line of the gas circulation system with the process gas. The penetration can take place at just one point on the wall. Contact between the metal rod and the metal pipe can be avoided by using insulation. Electromagnetic shielding of the sensor is very advantageous in order to avoid interference. Electrically charged metal particles that have been charged by friction touch the electrically conductive metal rod and thereby release their charge into the metal. For example, a total charge can be measured as an electrical current (“total mass flow”).
  • FIG. 1 shows a schematic, partially sectioned view of an exemplary embodiment of a device for additive manufacturing
  • FIG. 2 shows a block diagram of a possible process sequence of an exemplary embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 3 shows a circulating air filter system according to the prior art
  • Figure 4 shows a manufacturing device with a circulating air filter system and particle separator.
  • Such a manufacturing device 1 is shown schematically in Figure 1.
  • the device has a process chamber 3 or a process space 3 with a chamber wall 4 in which the manufacturing process essentially takes place.
  • a container 5 that is open at the top and has a container wall 6.
  • the upper opening of the container 5 forms the current working plane 7.
  • the one inside the opening of the Container 5 area of this working level 7 can be used to build the object 2 and is therefore referred to as construction area 8.
  • the container 5 has a base plate 11 which is movable in a vertical direction V and which is arranged on a support 10. This base plate 11 closes the container 5 at the bottom and thus forms its bottom.
  • the base plate 11 can be formed integrally with the carrier 10, but it can also be a plate formed separately from the carrier 10 and attached to the carrier 10 or simply stored on it.
  • a building platform 12 can be attached to the base plate 11 as a building base on which the object 2 is built. In principle, the object 2 can also be built on the base plate 11 itself, which then forms the construction base.
  • the basic construction of the object 2 is carried out by first applying a layer of building material 13 to the building platform 12, then - as explained later - with a laser beam 22 as an energy beam at the points which are to form parts of the object 2 to be manufactured, the building material 13 is selectively solidified, then with the help of the carrier 10 the base plate 11, thus the building platform 12 is lowered and a new layer of the building material 13 is applied and selectively solidified, etc.
  • the object 2 built in the container on the building platform 12 is below the working level 7 is shown in an intermediate state. It already has several solidified layers, surrounded by building material 13 that remains unsolidified.
  • Various materials can be used as building material 13, preferably powder, in particular metal powder, plastic powder, ceramic powder, sand, filled or mixed powder or even pasty materials and optionally a mixture of several materials .
  • Fresh building material 15 is located in a storage container 14 of the manufacturing device 1. With the help of a coater 16 that can be moved in a horizontal direction H, the building material can be applied in the working plane 7 or within the construction area 8 in the form of a thin layer.
  • an additional radiation heater 17 in the process chamber 3. This can be used to heat the applied building material 13, so that the irradiation device used for the selective solidification does not have to input too much energy. This means that it can be done, for example, with the help of radiant heating 17 A quantity of basic energy is already introduced into the building material 13, which is of course still below the necessary energy at which the building material 13 fuses or sinters.
  • An infrared radiator or VCSEL radiator, for example, can be used as the radiant heater 17.
  • the manufacturing device 1 has an irradiation device 20 or, more specifically, an exposure device 20 with a laser 21.
  • This laser 21 generates a laser beam 22, which is deflected via a deflection device 23 in order to travel along the exposure paths or tracks (hatch lines) provided in accordance with the exposure strategy in the layer to be selectively solidified and to selectively introduce the energy.
  • this laser beam 22 is suitably focused on the working plane 7 by a focusing device 24.
  • the irradiation device 20 is here preferably outside the process chamber 3 and the laser beam 22 is guided into the process chamber 3 via a coupling window 25 attached to the top of the process chamber 3 in the chamber wall 4.
  • the irradiation device 20 can, for example, comprise not just one but several lasers.
  • This can preferably be a gas or solid-state laser or any other type of laser such as.
  • B. act laser diodes in particular VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) or VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) or a row of these lasers.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • VECSEL Very External Cavity Surface Emitting Laser
  • one or more unpolarized single-mode lasers e.g. B. a 3 kW fiber laser with a wavelength of 1070 nm can be used.
  • the manufacturing device 1 contains a gas line 9, which leads process gas G into and out of the process space 3, and a contamination measuring unit 18, which measures a degree of contamination in the process gas G flowing through the gas line 9.
  • the gas stream flows through the gas-filled space above the container 5, which the energy beam 22 traverses during operation. Opposite the gas inlet (left) is a gas outlet (right), so that the gas flow completely crosses the construction area and can be redirected if necessary (not shown).
  • contamination A of a process gas G flowing out of the process chamber 3 is measured with the contamination measuring unit 18, but contamination of the inflowing process gas G can also be measured.
  • the contamination measuring unit 18 can, for example, have a filter breakage sensor, an optical one Turbidity sensor, a camera, a thermo-optical measuring device or a system designed for powder bed monitoring.
  • the measured values M recorded by the contamination measuring unit 18, which allow a conclusion to be drawn about the respective degree of contamination in the process gas G flowing through the gas line 9, are transferred here to a control device 30 of the manufacturing device 1, which also serves to control the various components of the manufacturing device 1 for the overall control of the additive manufacturing process.
  • the control device 30 has an evaluation unit 32, which is designed to evaluate the measured values M.
  • a control unit 29 of the control device 30 is used to control the device 1 depending on the number of measured values M.
  • the control unit 29 is designed to control and For this purpose, it transfers to them corresponding irradiation control data BS, which are designed in accordance with the measured values M.
  • the control unit 29 also controls the radiant heater 17 using suitable heating control data HS, the coater 16 using coating control data ST and the movement of the carrier 10 using carrier control data TS and thus controls the layer thickness.
  • the control device 30 is, here z. B. via a bus 60 or another data connection, coupled to an output device 39, for example a terminal with a display or the like. It can use this bus 60 to send warning messages to an output device 39 if the level of contamination is too high. An operator can also use the terminal to control the control device 30 and thus the entire manufacturing device 1, for example by transmitting process control data PS.
  • the present invention is not limited to such a manufacturing device 1. It can be applied to other methods for the generative or additive production of a three-dimensional object by layer-by-layer application and selective solidification of a building material, with an energy beam being delivered to the building material to be solidified for solidification.
  • the irradiation device can not only be a laser, as described here, but it could be any Device can be used with which energy can be selectively brought onto or into the building material as wave or particle radiation. For example, another light source, an electron beam, etc. could be used instead of a laser.
  • the building material is scanned layer by layer by the energy beam 22 at locations that correspond to the cross sections of the objects in the respective layer.
  • FIG 2 shows a block diagram of a possible process sequence of an exemplary embodiment of a method according to the invention for controlling a manufacturing process for the additive manufacturing of a component 2 in a device 1, as shown, for example, in Figure 1.
  • building material 13 is solidified on a construction field 8 in a process room 3 by irradiating the building material 13 with at least one energy beam 22.
  • a process gas G loaded with impurities A is removed from the process space 3 through a gas line 9, filtered and returned to the process space 3.
  • the building material 13 is at least partially powdery and preferably comprises a metal powder.
  • a passivating agent preferably lime particles
  • a passivating agent preferably lime particles
  • All powdery materials can be present as impurities in the process gas.
  • non-negligible amounts of impurities are then reintroduced into the process chamber 3 with the process gas G, which leads to quality losses in the manufactured components 2.
  • step I a number of measured values M are recorded using the contamination measuring unit 18, with each measured value M allowing a conclusion to be drawn about the degree of contamination of the process gas G flowing through the gas line 9 during the detection.
  • a measured value M can directly indicate this respective degree of contamination or represent a value with which the degree of contamination can be determined, for example based on the opacity of optical recordings, for example from the powder bed monitoring system.
  • the measurement values M are recorded here during additive manufacturing of a component 2, preferably continuously or at regular intervals.
  • the measured values M are evaluated. As part of the evaluation, it is determined whether a measured value M or a course of a plurality of measured values M is within a predetermined value range.
  • the measured values M can be evaluated in different ways. For example, a measured value M or its change is compared with at least one predefined threshold value. A plurality of measured values M can also be checked for a repeating measured value pattern, whereby, for example, this test can include detecting repeatedly occurring measured value anomalies (e.g. temporary measured value excursions).
  • the evaluation can also include forming a temporal correlation between a result of recording the number of measured values M and at least one process parameter P of the device 1, which is characteristic of additive manufacturing of a component 2.
  • a process parameter P can, for example, be characteristic of one of the following criteria: a) a throughput, a flow strength, a direction, an effective range and/or a speed of the process gas G in the process space 3, in particular relative to a top layer of the building material 13, b ) a geometric and/or temporal uniformity of a throughput, a flow strength, a direction, an effective range and/or a speed of the process gas G in the process space 3, in particular relative to a top layer of the building material 13, c) an area, thickness, position and/or shape of an area to be solidified on the construction field 8 for the production of the component 2, d) a feeding and/or a selective solidification of the building material 13, e) a distribution (eg layer-by-layer application) of the building material 13, f) the at least one Energy beam 22, which causes the selective solidification of the building material 13, in particular its wavelength, intensity, intensity distribution, Beam diameter, beam cross section, deflection direction, direction of movement and/or
  • Speed of movement within the construction area 8 g) a filling and/or overfilling of an overflow container which is provided for collecting excess building material 13 in the process space 3, or h) an increased or uncontrolled discharge of building material 13 into an atmosphere of the process space 3.
  • the evaluation of the number of measured values M is carried out taking into account a number of process parameters P of the device 1, which is characteristic of additive manufacturing of a component 2, in particular under the assumption that the detected impurities are process-related discharge material and/or passivating agent.
  • step III the device 1 and/or an output device 39 connected to the manufacturing process in terms of data technology is controlled depending on the evaluation of the number of measured values M.
  • the device 1 is controlled by means of an automatic control or regulation of the number of process parameters P as a function of the evaluation of the number of measured values M, whereby optimization and/or error detection in relation to at least one process parameter can be carried out based on the evaluation of the number of measured values M.
  • a dosage of the building material 13 can be controlled by means of the coater 16 or its movement based on the measured values M.
  • a warning message is issued, for example, on the output device 39.
  • the manufacturing process be interrupted until the level of contamination has fallen again and information about the level of contamination can be automatically entered into a quality data log.
  • Figure 3 shows a circulating air filter system 40 with a pre-filter stage 42, a particle collecting container 44, a fill level sensor 43 for measuring the fill level in the particle collecting container. container 44, a fine filter stage 41 and a fan 45.
  • process gas G flows from the process chamber 3 to the pre-filter 42 and is filtered there, with filtrate (particles) flowing into the particle collecting container at certain intervals when the pre-filter 42 is cleaned 44 is deposited.
  • the pre-cleaned process gas G then flows through the fine filter stage 41 before being returned to the process chamber 3 by means of the blower 45.
  • Such a recirculating air filter system 40 is known in the prior art.
  • Figure 4 shows a manufacturing device 1 with a circulating air filter system 40 and particle separator 50.
  • process gas G is removed as raw gas, i.e. loaded with impurities, through a raw gas line 48 (upper arrow). It flows past a first contamination measuring unit 18 (top). It can now be fed directly into a pre-filter stage 42 and cleaned there (dashed arrow), but in this example it first flows through a particle separator 50, which removes particles from the process gas G using a cyclone and collects them in a particle collecting container 44. Only now does the process gas G flow through the pre-filter stage 42 and a fine filter stage 41 through a clean gas line 49 back to the process chamber 3 of the manufacturing device 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einer Vorrichtung (1), wobei auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) verfestigt wird und wobei ein mit Verunreinigungen (A) beladenes Prozessgas (G) durch eine Gasleitung (9) aus dem Prozessraum (3) abgeführt, gefiltert und wieder in den Prozessraum (3) zurückgeführt wird, das Verfahren umfassend die Schritte: - Erfassung einer Anzahl von Messwerten (M) mittels einer Kontaminations-Messeinheit (18), wobei jeder Messwert (M) einen Rückschluss auf einen bei der Erfassung herrschenden Grad der Verunreinigung des durch die Gasleitung (9) strömenden Prozessgases (G) zulässt, - Auswertung der Anzahl von Messwerten (M), - Steuerung der Vorrichtung (1) und/oder eines mit dem Fertigungsprozess datentechnisch verbundenen Ausgabegeräts (39) in Abhängigkeit von der Auswertung der Anzahl von Messwerten (M). Die Erfindung betrifft des Weiteren ein entsprechendes System sowie eine Fertigungsvorrichtung.

Description

Verfahren und System zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils in einer Vorrichtung, wobei auf einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten von Aufbaumaterial, durch eine, insbesondere selektive, Verfestigung von Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird.
Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt („Bauteil“) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als “Rapid Manufacturing” bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, ist ein Kernpunkt die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht und in jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Während einer Abkühlung verfestigen diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Materials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden.
Der Fertigungsprozess findet häufig in einer Schutzgasatmosphäre statt. Dazu strömt ein Prozessgas, z.B. Argon, durch die Prozesskammer. In der Regel wird das Prozessgas danach nicht in die Umwelt entlassen, sondern erneut der Prozesskammer zugeführt. Insbesondere bei der additiven Fertigung mit metallischem Aufbaumaterial wird das Prozessgas innerhalb dieses Gaskreislaufs mit Partikeln verunreinigt. Dies können Partikel des Aufbaumaterials sein, aber auch Partikel, die bei dem Verfestigungsprozess entstehen. Des Weiteren kann es sein, dass zusätzliche Partikel in den Prozessgasstrom eingebracht werden, z.B. ein Passivierungsmittel wie etwa Kalk, welches bei einem metallischen Aufbaumaterial aus Brandschutzgründen dem aus der Prozesskammer ausströmenden Prozessgas zugegeben werden kann.
Zur Reinigung des Prozessgases wird dieses in der Regel gefiltert. Jedoch kann es trotzdem geschehen, z.B. durch einen Filterbruch, dass das in die Prozesskammer ein- bzw. rückgeleitete Prozessgas mit Partikeln verunreinigt ist, was zu einer Verringerung der Qualität der gefertigten Bauteile führt. Generell kann eine Durchlässigkeit an der Filterstufe große Nachteile bei der Qualität der gefertigten Bauteile, aber auch Maschinenschäden nach sich ziehen, insbesondere, weil sie durchaus lange unentdeckt bleiben kann.
Um die Gefahr von Verunreinigungen durch Filterdurchbrüche zu verringern, erfolgt eine Filterung von Prozessgas z.B. durch ein zweistufiges Filtersystem. Filterdurchbrüche am Hauptfilter (bzw. Vorfilter) können mit Hilfe eines nachgeordneten Feinfilters (oftmals ein nicht abreinigbarer Speicherfilter) kompensiert und indirekt detektiert werden, da dieser sich im Fall eines Durchbruchs relativ rasch zusetzt, was zu erhöhtem Differenzdruck am Filter führt, den ein Differenzdrucksensor detektieren kann oder wodurch ein Druckschalter betätigt werden kann, was wiederum zum Abbruch der Fertigung führen kann. Im störungsfreien Betrieb lässt die erste Filterstufe einen kleinen Anteil an Partikeln durch. Der Feinfilter reduziert diesen Anteil beispielsweise auf ein Minimum an Feinstanteil (Kondensat), das auf die Reingasseite des Prozessgaskreislaufs gelangt.
Bei einer anderen häufig verwendeten Filtereinheit erfolgt zunächst eine Vermischung des Filtrats mit Kalkpulver knapp stromaufwärts des Filters, wobei auf einen nachgeordneten Fein- bzw. Speicherfilter verzichtet wird. Damit entsteht das Problem, dass bei einer Durchlässigkeit des Filters unbemerkt auch Kalk auf die Reingasseite des Prozessgaskreislaufs gelangen kann und im laufenden Bauprozess in die Prozesskammer eingeführt wird. Der Kalk kann sich als Staub auf dem Pulverbett bzw. auf den verfestigten Bereichen absetzen und in das Gefüge eines Bauteils integriert werden. Dadurch können Bauteileigenschaften wie etwa dessen Festigkeit beeinträchtigt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein System zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine automatische Detektion von Filterdurchbrüchen erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, ein System gemäß Patentanspruch 10 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils in einer Vorrichtung, wobei auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird und wobei ein mit Verunreinigungen beladenes Prozessgas durch eine Gasleitung aus dem Prozessraum abgeführt, gefiltert und wieder in den Prozessraum zurückgeführt wird. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Erfassung einer Anzahl von Messwerten mittels einer Kontaminations-Messeinheit, wobei jeder Messwert einen Rückschluss auf einen bei der Erfassung herrschenden Grad der Verunreinigung des durch die Gasleitung strömenden Prozessgases zulässt,
- Auswertung der Anzahl von Messwerten,
- Steuerung der Vorrichtung und/oder eines mit dem Fertigungsprozess datentechnisch verbundenen Ausgabegeräts in Abhängigkeit von der Auswertung der Anzahl von Messwerten.
Wie bereits angedeutet wurde, wird in einem Fertigungsprozess in einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise, d.h. nacheinander in mehreren Materialauftragsebenen bzw. Materialschichten, aufgebaut. Bei dem Aufbaumaterial handelt es sich bevorzugt um ein Metallpulver. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch mit anderen, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterialien eingesetzt werden, wie z.B. Kunststoffen oder Keramik oder Mischungen der verschiedenen Materialien. Dabei wird, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (insbesondere selektiv) verfestigt, indem eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem von einer Bestrahlungseinheit der Fertigungsvorrichtung erzeugten Energiestrahl erfolgt (damit ist ein energetischer Strahl aus Photonen oder Partikeln, z.B. ein Lichtstrahl oder ein Elektronenstrahl gemeint). Dabei wird nicht nur das Aufbaumaterial in der obersten, frisch aufgebrachten Materialschicht von dem Energiestrahl erfasst und auf- bzw. umgeschmolzen, sondern der Energiestrahl geht üblicherweise ein Stück tiefer in das Materialbett hinein und erreicht auch darunterliegendes, bereits umgeschmolzenes Material aus zuvor aufgetragenen Materialschichten.
Mit „Verunreinigung“ sind im Grunde jegliche feste oder flüssige Partikel gemeint, welche das Prozessgas verunreinigen. Darunter fallen insbesondere Austragsmaterialien oder andere Verunreinigungen aus der Prozesskammer, jedoch können auch Verunreinigungen darunterfallen, die stromabwärts der Prozesskammer entstehen, insbesondere basierend auf zugegebenen Passiviermitteln. Beispielsweise können als Verunreinigungen Rauchpartikel oder Partikel des Aufbaumaterials (Austragsmaterial) oder Kalk (Passivierungsmittel) verstanden werden oder Mischungen dieser Partikel.
Mit dem Grad der Verunreinigung ist die Menge an Verunreinigungen im Prozessgas gemeint. Dieser Grad kann allgemein mit einem Anteil an Partikeln bzw. „Verunreinigungselementen“ angegeben werden, es können aber auch Materialien, welche das Prozessgas verunreinigen, anteilsmäßig aufgeschlüsselt sein.
Eine Verunreinigung des Prozessgases kann durch mannigfaltige Prozesse bedingt sein, beispielsweise hängt die Verunreinigung von der Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere von der Einblasung bzw. Absaugung, des Prozessgases ab, aber auch von dem Dosiervorgang (Pulver kann durch zu langes Drehen der Walze oder durch Defekt der Pulverdichtung aus dem Dosierer rieseln), der Beschichterfahrt (Pulver, das sich nach dem Beschichten noch nicht auf dem Pulverbett abgesetzt hat, wird durch die Gasströmung erfasst und weiter aufgewirbelt), den Bauvorgang bzw. die Laseraktivität, einer Kollision zwischen Beschichter und Bauteil (Aufwirbelung von Pulver), Defekten oder Konstruktionsmängel (Staub sammelt sich auf Beschichter und wird durch Einblasung aufgewirbelt), Bedienfehler (z.B. Montage der Dichtlippe am Dosierer vergessen) oder auch einer Missachtung von Reinigungszyklen (Absetzen von Staub auf Oberflächen).
Zur Erfassung von Messwerten wird eine Kontaminations-Messeinheit verwendet, die z.B. ein im Stand der Technik bekannter Staubsensor sein kann. Eine Messung kann insbesondere optisch, z.B. via Trübung nach dem Rauchmelder-Prinzip, akustisch, z.B. via Ultraschall, z. B. triboelektrisch nach dem Prinzip von lonisationsrauchmeldern, elektrochemisch oder elektromagnetisch erfolgen, z.B. mittels Mikrowellen-Dopplersensor. Bevorzugt ist auch eine Nutzung von eventuell zur Prozessüberwachung vorhandenen thermooptischen Messgeräten hinsichtlich charakteristischer Messwerte, verursacht durch Interaktion eines Laserstrahls mit unreiner Prozessatmosphäre, oder durch veränderte Vorgänge im Schmelzbad durch eben diese Interaktion. Auch bevorzugt ist die Überwachung von optischen Aufnahmen, die durch eine gegebenenfalls getrübte Prozessatmosphäre gemacht werden, besonders hinsichtlich ihrer Helligkeit und ihres Kontrastverhältnisses. Eine bevorzugte Messeinheit ist minimalinvasiv, konstruktiv einfach in ein System integrierbar, verschleißfrei und zuverlässig sowie kostengünstig.
Die Kontaminations-Messeinheit misst die Partikelbeladung des vorbeifließenden Prozessgases, insbesondere auf der Reingasseite des Prozessgaskreislaufs, d.h. zwischen einem Filter und dem Eingang in die Prozesskammer. Die Messung kann dabei kontinuierlich oder intermittierend erfolgen. Eine bevorzugte Anordnung eines Sensors der Kontaminations-Messeinheit in der Maschine ist dergestalt, dass der Sensor annähernd den gesamten Innendurchmesser des Rohres erfassen kann, in dem er angeordnet ist. Wenn er in einem Bereich des Auslassrohrs angeordnet ist, sollte der Sensor dort angeordnet sein, wo dieses Rohr möglichst lange gerade verläuft, insbesondere bei einer Drittelung des Bereichs vorzugsweise zwei Drittel der Strecke stromabwärts der nächstliegenden Krümmung und ein Drittel der Strecke stromaufwärts der nächstliegenden Krümmung. Bei einer Messung sollte die Strömung im Rohr möglichst homogen sein und frei verlaufen. Bezüglich der Ausrichtung des Sensors zum Rohrquerschnitt (360°) steht der Sensor vorzugsweise 90° zur Hauptströmungsrichtung, und erfasst ein möglichst breites Spektrum an Beladungsmasseströmen, d.h. er sollte entlang dem Maximaldurchmesser des Rohres positioniert sein.
Die von der Kontaminations-Messeinheit erfassten Messwerte sollten einen Rückschluss auf einen bei der Erfassung herrschenden Grad der Verunreinigung des durch die Gasleitung strömenden Prozessgases zulassen. Dies bedeutet, dass jeder Messwert diesen jeweiligen Grad der Verunreinigung direkt angibt oder einen Wert darstellt, mit dem der Grad der Verunreinigung ermittelt werden kann, z.B. basierend auf Powder-Bed- Monitoring. Bevorzugte Messwerte geben z.B. die Gesamtanzahl der Partikel pro Zeit an, können aber auch eine Masse oder elektrische Ladung der Einzelpartikel angeben, wobei hier auch eine zusätzliche Messung der Strömungsgeschwindigkeit hilfreich sein könnte. Zusätzlich kann es auch von Vorteil sein, eine Homogenität oder Heterogenität der Strömung zu messen, d.h. ob eine weitgehend gleiche oder unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten über den Rohrinnenquerschnitt hinweg herrschen. Weitere bevorzugte Messwerte geben eine Verteilung von Partikeln in der Strömung über den Rohrinnenquerschnitt hinweg an. Beispielsweise kann nach einer Krümmung in einem Wandbereich der größten Bogenlänge die Konzentration von Partikeln, insbesondere schwererer Partikel, durch die Wirkung der Zentrifugalkraft höher sein. Kurz: Es sind alle Messungen bevorzugt, die Aufschluss darüber geben, wieviel Partikel zusammen mit dem Prozessgas wieder in die Prozesskammer einströmen.
Wohlgemerkt, kann durchaus alleine der Grad der Verunreinigung am Gasauslass der Prozesskammer (im Rohgasstrang) gemessen werden. Bevorzugt ist jedoch der Grad der Verschmutzung im Reingasstrang (am Gaseinlass in die Prozesskammer bzw. das Prozessgas nach der Filterung) zu messen. Es kann aber auch sehr vorteilhaft sein, im Rohgasstrang und im Reingasstrang zu messen, da dann auch Differenzwerte gebildet werden können, die sehr gut Aufschluss über Veränderungen der Filter geben können.
Die Auswertung der Anzahl von Messwerten erfolgt bevorzugt im Hinblick auf eine Qualität der Bauteile. Wenn die Verunreinigung des Prozessgases zu groß ist, sollte dem entgegengewirkt werden, so dass diese Verunreinigungen die Prozesskammer und die zu fertigenden Bauteile darin nicht übermäßig in Mitleidenschaft ziehen. Beispielsweise kann einfach geprüft werden, ob der Grad der Verunreinigungen im Prozessgas über einem vorbestimmten Grenzwert liegt, insbesondere für einen Kalkanteil der Partikel. Es wären aber auch andere Indikatoren möglich, z.B. ein plötzliches Ansteigen des Grades der Verunreinigung oder der Anstieg einer bestimmten Konzentration von bestimmten Partikeln, z.B. größeren Partikeln oder Kalkpartikeln. Die Kontaminations-Messeinheit kann dazu in einem Diagnosesystem integriert sein, bei dem z.B. die Messwerte noch mit Messwerten einer weiteren Sensorik (z.B. im Rahmen einer „Differentialdiagnostik“) vereint werden. Beispielsweise könnte eine Verknüpfung der Messwerte mit Steuerdaten aus der Ansteuerung aller beweglichen Elemente in der Prozesskammer (Beschichter inkl. Einzelteile, etc.) sowie der Gaseinblasung bzw. Gasabsaugung erfolgen, oder eine Bildung einer zeitlichen Korrelation zwischen einer Erhöhung des Pulveraustrags und einem bestimmten Ereignis bzw. Aktivität einer bestimmten Komponente. Es können auch Zusammenhänge zwischen Fehlerereignissen über andere Sensorik gebildet werden oder, eine Gewichtung und Interpretation von Signalen und dadurch eine Eingrenzung von fehlerverursachenden Komponenten bzw. Ereignissen vorgenommen werden. Im Hinblick auf die Steuerung der Vorrichtung bzw. des Ausgabegeräts kann ein Fertigungsprozess unterbrochen werden, bis der Grad der Verunreinigung sich wieder in einem tolerierbaren Rahmen bewegt. Es kann aber auch eine Warnung ausgegeben werden, z.B. dass ein Filterbruch wahrscheinlich ist. Beispielsweise wird ein Warnsignal bei Überschreitung eines Schwellenwerts ausgegeben, z.B. bei einer zu großen Gesamtmenge ausgetragenen Pulvers oder bei Überschreitung von definierten Grenzwerten zu lokalen Maxima/Minima oder Kurvensteigungen. Zwischen Steuerung und Auswertung kann dabei noch eine Fehlerdiagnose erfolgen, bei der ermittelt wird, wo der Fehler liegen könnte.
Ein erfindungsgemäßes System dient zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils in einer Vorrichtung, wobei auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird und wobei ein mit Verunreinigungen beladenes Prozessgas durch eine Gasleitung aus dem Prozessraum abgeführt, gefiltert und wieder in den Prozessraum zurückgeführt wird. Das System ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und umfasst die folgenden Komponenten:
- Eine Kontaminations-Messeinheit ausgelegt zur Erfassung einer Anzahl von Messwerten, wobei jeder Messwert einen Rückschluss auf den jeweiligen Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung strömenden Prozessgas zulässt,
- eine Auswerteeinheit, ausgelegt zur Auswertung der Anzahl von Messwerten,
- eine Steuereinheit ausgelegt zur Steuerung der Vorrichtung und/oder eines mit dem Fertigungsprozess datentechnisch verbundenen Ausgabegeräts in Abhängigkeit von der Anzahl von Messwerten.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass partikelbelastetes Prozessgas detektiert werden kann und ggf. ein Stillstand des Prozesses eingeleitet oder eine Warnung ausgegeben werden kann. Dadurch werden Mängel an Bauteilen verhindert, die durch eine mangelhaft gefilterte Prozessatmosphäre verursacht werden, was eventuell lange unentdeckt bleiben könnte. Verunreinigungen können sowohl den Fertigungsprozess direkt durch Störung des Laserstrahls verschlechtern, als auch zu verunreinigtem Pulver führen, das selbst wenn es danach gesiebt wird, wiederum schwer erkennbare Schäden in daraus hergestellten Teilen verursachen kann. Insbesondere minimale Filterdurchbrüche, die nicht auf Basis anderer Kontrollmechanismen zu einem Jobabbruch führen (z.B. durch abrupten erheblichen Abfall des Gegendrucks unabhängig von einem Abreinigungs- vorgang), können durch die Erfindung zuverlässig festgestellt werden. Somit kann verhindert werden, dass eine Beeinträchtigung der Bauteilqualität, insbesondere durch übermäßigen Kalkeintrag (Passivierungsmittel), über einen längeren Zeitraum stattfindet, in dem das Prozessgasreinigungssystem vermeintlich tadellos funktioniert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird, umfasst die folgenden Komponenten:
- eine Gasleitung zur Führung eines Prozessgases aus dem Prozessraum durch eine Filtereinheit und wieder zurück in den Prozessraum,
- ein erfindungsgemäßes System, wobei die Kontaminations-Messeinheit des Systems in der Gasleitung angeordnet ist, bevorzugt auf einer Reingasseite der Gasleitung.
Bevorzugt ist dabei die Filtereinheit höchstens zweistufig, vorzugsweise höchstens einstufig ausgebildet. „Einstufig“ bedeutet dabei, dass die Filtereinheit parallel geschaltete Filterelemente umfassen kann, jedoch keine seriell geschalteten. Es ist bevorzugt, dass zumindest ein Filterelement, vorzugsweise alle Filterelemente der Filtereinheit dazu ausgebildet ist/sind, vor, während, oder nach einem Fertigungsprozess abgereinigt zu werden. Dies bedeutet, dass der Filter kein Speicherfilter ist. Bevorzugt ist der Filtereinheit eine Partikelabscheideeinheit stromaufwärts vorgeschaltet.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die dann wie oben erwähnt entsprechend koordiniert mit den Steuerdaten angesteuert werden. Auch sei noch einmal erwähnt, dass insoweit der Energiestrahl auch aus mehreren überlagerten Energiestrahlen bestehen kann bzw. dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z. B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung dient zur Steuerung einer Vorrichtung für einen Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial mittels Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird und wobei ein mit Verunreinigungen beladenes Prozessgas durch eine Gasleitung aus dem Prozessraum abgeführt, gefiltert und wieder in den Prozessraum zurückgeführt wird. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Fertigungsvorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anzusteuern, bzw. umfasst sie ein erfindungsgemäßes System.
Das erfindungsgemäße System kann insbesondere in Form einer Rechnereinheit, insbesondere in einer Steuereinrichtung, mit geeigneter Software realisiert sein. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Insbesondere kann sie in Form von geeigneten Softwareprogrammteilen in der Rechnereinheit realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechnereinheiten, insbesondere in Steuereinrichtungen, von Fertigungsvorrichtungen, auf einfache Weise durch ein Software- bzw. Firmware-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Rechnereinheit ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Rechnereinheit ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z. B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen. Zum Transport zur Rechnereinheit und/oder zur Speicherung an oder in der Rechnereinheit kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird in dem Fall, dass sich bei der Auswertung der Anzahl von Messwerten ergibt, dass der Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung strömenden Prozessgas größer als eine vorgegebene Maximalverunreinigung (ein Grenzwert für den Grad, z.B. eine Partikelkonzentration) ist, zumindest einer der folgenden Schritte durchgeführt:
- Ausgabe einer Information auf dem Ausgabegerät, insbesondere eine Warnmeldung (einer Nachricht) oder ein Warnsignal (z. B. ein akustisches oder optisches Signal),
- Unterbrechen (d.h. Stoppen oder Pausieren) des Fertigungsprozesses,
- automatischer Eintrag einer Information über den aus der Anzahl von Messwerten ermittelten Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung strömenden Prozessgas in ein Qualitätsdatenprotokoll,
- Ermittlung eines Zustandes einer im Fertigungsprozess gefertigten Anzahl von Bauteilen und Abschätzung, welche(s) der Anzahl von Bauteilen verwertbar ist/sind bzw. welche(s) nicht.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird zur Steuerung der Vorrichtung die Auswertung der Anzahl von Messwerten unter Berücksichtigung einer Anzahl von Prozessparametern der Vorrichtung durchgeführt, die für eine additive Fertigung eines Bauteils charakteristisch sind. Dies geschieht insbesondere unter der Annahme, dass es sich bei den erfassten Verunreinigungen um prozessbedingtes Austragsmaterial (insbesondere pulverförmiges Auftragsmaterial) und/oder Passivierungsmittel (insbesondere Kalk) handelt. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Steuerung der Vorrichtung mittels einer, insbesondere automatischen, Steuerung oder Regelung der Anzahl von Prozessparametern in Abhängigkeit von der Auswertung der Anzahl von Messwerten, wobei bevorzugt im Hinblick auf die Steuerung oder Regelung der Anzahl von Prozessparametern eine Optimierung und/oder Fehlererkennung in Bezug auf mindestens einen Prozessparameter anhand der Auswertung der Anzahl von Messwerten erfolgt. Eine Optimierung bzw. Fehlererkennung in Bezug auf mindestens einen Prozessparameter kann dabei aufgrund von gezielten Tests oder basierend auf Abschätzungen erfolgen. Beispielsweise kann bei einer Messung von Aufbaumaterial im Prozessgasstrom gezielt die Strömung des Prozessgases durch die Prozesskammer verändert werden oder bei der Messung von Rauchpartikeln der Energiestrahl geregelt werden.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren ist ein Prozessparameter der Anzahl von Prozessparametern charakteristisch für mindestens eines der folgenden Kriterien:
- einen Durchsatz, eine Strömungsstärke, eine Richtung, einen Wirkbereich und/oder eine Geschwindigkeit des Prozessgases im Prozessraum, insbesondere jeweils relativ zu einer obersten Schicht des Aufbaumaterials, - eine geometrische und/oder zeitliche Gleichmäßigkeit eines Durchsatzes, einer Strömungsstärke, einer Richtung, eines Wirkbereichs und/oder einer Geschwindigkeit des Prozessgases im Prozessraum, insbesondere jeweils relativ zu einer obersten Schicht des Aufbaumaterials,
- eine Fläche, Dicke, Lage und/oder Form eines zu verfestigenden Bereichs auf dem Baufeld zur Fertigung des Bauteils,
- ein Zuführen und/oder ein selektives Verfestigen des Aufbaumaterials,
- ein Verteilen (insbesondere schichtweises Aufträgen) des Aufbaumaterials,
- den zumindest einen Energiestrahl, der das selektive Verfestigen des Aufbaumaterials bewirkt, insbesondere dessen Wellenlänge, Intensität, Intensitätsverteilung, Strahldurchmesser, Strahlquerschnitt, Auslenkrichtung, Bewegungsrichtung bzw. Bewegungsgeschwindigkeit innerhalb des Baufelds,
- eine Befüllung und/oder Überfüllung eines Überlaufbehälters, der zum Auffangen von überschüssigem Aufbaumaterial in dem Prozessraum vorgesehen ist,
- einen erhöhten oder unkontrollierten Austrag von Aufbaumaterial in eine Atmosphäre des Prozessraums.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird im Rahmen der Auswertung ermittelt, ob sich ein Messwert oder ein Verlauf einer Mehrzahl von Messwerten innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs befindet. Bevorzugt wird dazu die Anzahl von Messwerten auf besondere Weise ausgewertet, z.B. indem
- ein Messwert mit mindestens einem vordefinierten Schwellenwert abgeglichen wird und/oder
- eine Veränderung einer Anzahl von Messwerten mit mindestens einem vordefinierten Schwellenwert abgeglichen wird und/oder
- eine Mehrzahl von Messwerten auf ein sich wiederholendes Messwertverlaufsmuster geprüft wird, wobei bevorzugt die Prüfung der Anzahl von Messwerten auf das sich wiederholende Messwertverlaufsmuster ein Erkennen wiederholt auftretender Messwertanomalien umfasst (z. B. temporäre Messwertausschläge), insbesondere solcher, die im Vergleich zum vorbestimmten Zeitraum der Messwerterfassung kurzzeitig auftreten. Dabei umfasst die Auswertung der Anzahl von Messwerten bevorzugt eine Bildung einer zeitlichen Korrelation zwischen einem Ergebnis einer Erfassung der Anzahl von Messwerten und mindestens einem Prozessparameter der Vorrichtung, der für eine additive Fertigung eines Bauteils charakteristisch ist. Beispiele für solche Prozessparameter sind vorangehend genannt. Gemäß einem bevorzugten Verfahren erfolgt die Erfassung einer Anzahl von Messwerten, und bevorzugt auch die Steuerung oder Regelung des Prozessparameters, während einer additiven Fertigung eines Bauteils, vorzugsweise fortlaufend oder in regelmäßigen Zeitabständen.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren ist das Aufbaumaterial zumindest teilweise pulverförmig und umfasst vorzugsweise ein Metallpulver.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird stromabwärts des Prozessraums und/oder stromaufwärts der Filtereinheit ein Passivierungsmittel, vorzugsweise Kalkpartikel, dem durch die Gasleitung strömenden Prozessgas zugegeben. Wie oben gesagt, kann dieses Passivierungsmittel zu Qualitätsverlusten führen, wenn es in den Prozessraum gelangt. Daher ist hier die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren erfolgt zur Fertigung eines Bauteils eine Zuführung des Aufbaumaterials in den Prozessraum. Im Prozessraum ist (dazu) eine Dosiereinrichtung und/oder ein Beschichter angeordnet, der das Aufbaumaterial schichtweise innerhalb eines Baufelds aufträgt. Dabei erfolgt im Zuge der Steuerung der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Anzahl von Messwerten bevorzugt eine Dosierung des Aufbaumaterials mittels der Dosiereinrichtung und/oder des Beschichters, welche ggf. basierend auf den Messwerten auch in veränderter Weise erfolgen kann (also abweichend von einer vorher vorgegebenen Art und Weise). Alternativ oder zusätzlich erfolgt bevorzugt eine Bewegung der Dosiereinrichtung und/oder des Beschichters, ggf. auch in veränderter Weise.
Bevorzugt umfasst die Kontaminations-Messeinheit einen Filterbruchsensor, insbesondere auf Basis des triboelektrischen Effektes, und/oder einen optischen Trübungssensor, und/oder eine Kamera, welche insbesondere die Helligkeit von Bildern überwacht, die durch die Prozessatmosphäre aufgenommen werden, und/oder ein thermooptisches Messgerät und/oder ein System ausgelegt zum Powder-Bed-Monitoring umfasst und/oder ein Messgerät zum vergleichenden Messen eines Drucks (dem Differenzdruck) an zwei parallelen Filterstufen.
Ein Filterbruchsensor wird normalerweise stromabwärts eines Partikelfilters angeordnet, um den Grad seiner Reinigungswirkung zu prüfen bzw. zu dokumentieren. Ein solcher Filterbruchsensor funktioniert oftmals nach dem Prinzip der Triboelektrizität, d.h. der elek- Irischen Aufladung von Teilchen durch Reibung. Ein solcher Sensor kann als Metallstab ausgebildet sein, der eine Leitung des Gasumwälzsystems mit dem Prozessgas durchdringt. Die Durchdringung kann dabei an nur einer Stelle der Wandung erfolgen. Ein Kontakt zwischen Metallstab und Metallrohr kann durch eine Isolierung vermieden werden. Eine elektromagnetische Abschirmung des Sensors ist sehr vorteilhaft, um Störungen zu vermeiden. Elektrisch geladene Metallpartikel, die durch Reibung aufgeladen wurden, berühren den elektrisch leitfähigen Metallstab und geben dabei ihre Ladung an das Metall ab. Beispielsweise kann eine aufsummierte Ladung als elektrischer Strom gemessen werden („Gesamtmassenstrom“).
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung,
Figur 2 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 3 ein Umluftfiltersystem gemäß dem Stand der Technik,
Figur 4 eine Fertigungsvorrichtung mit Umluftfiltersystem und Partikelseparator.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer selektiven Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf selektive Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Fertigungsvorrichtung“ 1 bezeichnet.
Eine solche Fertigungsvorrichtung 1 ist schematisch in Figur 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selbst aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann - wie später erläutert - mit einem Laserstrahl 22 als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11, somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In Figur 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien sowie optional eine Mischung mehrerer Materialien.
Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Fertigungsvorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler oder VCSEL-Strahler genutzt werden.
Zum selektiven Verfestigen weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Belichtungspfade oder Spuren (Hatchlinien) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb der Prozesskammer 3 und der Laserstrahl 22 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in die Prozesskammer 3 geleitet.
Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
Die Fertigungsvorrichtung 1 enthält in einer Gasleitung 9, welche Prozessgas G in den Prozessraum 3 hineinführt und aus diesem herausführt und eine Kontaminations- Messeinheit 18, welche einen Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung 9 strömenden Prozessgas G misst. Der Gasstrom strömt durch den gasgefüllten Raum oberhalb des Behälters 5, den im Betrieb der Energiestrahl 22 durchquert. Dem Gaseinlass (links) gegenüber sitzt ein Gasauslass (rechts), sodass die Gasströmung das Baufeld vollständig überquert und ggf. zurückgeführt werden kann (nicht eingezeichnet). Es wird hier eine Verunreinigung A eines aus der Prozesskammer 3 ausströmenden Prozessgases G mit der Kontaminations-Messeinheit 18 gemessen, jedoch kann auch eine Kontamination des einströmenden Prozessgases G gemessen werden. Die Kontaminations-Messeinheit 18 kann z.B. einen Filterbruchsensor, einen optischen Trübungssensor, eine Kamera, ein thermooptisches Messgerät oder ein System ausgelegt zum Powder Bed-Monitoring umfassen.
Die von der Kontaminations-Messeinheit 18 erfassten Messwerte M, welche einen Rückschluss auf den jeweiligen Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung 9 strömenden Prozessgas G zulassen, werden hier an eine Steuereinrichtung 30 der Fertigungsvorrichtung 1 übergeben, welche auch dazu dient, die verschiedenen Komponenten der Fertigungsvorrichtung 1 zur gesamten Steuerung des additiven Fertigungsprozesses anzusteuern.
Zur Aufnahme der Messwerte M weist die Steuereinrichtung 30 eine Auswerteeinheit 32 auf, die zur Auswertung der Messwerte M ausgelegt ist. Eine Steuereinheit 29 der Steuereinrichtung 30 dient zur Steuerung der Vorrichtung 1 in Abhängigkeit von der Anzahl von Messwerten M. Die Steuereinheit 29 ist dazu ausgelegt, die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20, nämlich hier den Laser 21, die Umlenkvorrichtung 23 und die Fokussiervorrichtung 24, anzusteuern und übergibt hierzu an diese entsprechend Bestrahlungssteuerdaten BS, welche entsprechend der Messwerte M gestaltet sind.
Die Steuereinheit 29 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke.
Die Steuereinrichtung 30 ist, hier z. B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Ausgabegerät 39 gekoppelt, z.B. einem Terminal mit einem Display oder dergleichen. Sie kann über diesen Bus 60 Warnmeldungen an ein Ausgabegerät 39 senden, wenn der Grad der Verschmutzung zu hoch ist. Über das Terminal kann ein Bediener zusätzlich die Steuereinrichtung 30 und somit die gesamte Fertigungsvorrichtung 1 steuern, z.B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PS.
Es wird an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Fertigungsvorrichtung 1 beschränkt ist. Sie kann auf andere Verfahren zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei ein Energiestrahl zum Verfestigen auf das zu verfestigende Aufbaumaterial abgegeben wird. Dementsprechend kann auch die Bestrahlungsvorrichtung nicht nur, wie hier beschrieben, ein Laser sein, sondern es könnte jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf bzw. in das Aufbaumaterial gebracht werden kann. Beispielsweise könnte anstelle eines Lasers eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl etc. verwendet werden.
Auch wenn in Figur 1 nur ein einzelnes Objekt 2 bzw. Bauteil 2 dargestellt wird, ist es möglich und in der Regel auch üblich, mehrere Objekte in der Prozesskammer 3 bzw. im Behälter 5 parallel herzustellen. Dazu wird das Aufbaumaterial schichtweise an Stellen, die den Querschnitten der Objekte in der jeweiligen Schicht entsprechen, durch den Energiestrahl 22 abgetastet.
Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 in einer Vorrichtung 1 , wie sie z.B. in Figur 1 dargestellt ist. Dazu wird auf einem Baufeld 8 in einem Prozessraum 3 Aufbaumaterial 13 mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials 13 mit zumindest einem Energiestrahl 22 verfestigt. Ein mit Verunreinigungen A beladenes Prozessgas G wird durch eine Gasleitung 9 aus dem Prozessraum 3 abgeführt, gefiltert und wieder in den Prozessraum 3 zurückgeführt. Das Aufbaumaterial 13 ist zumindest teilweise pulverförmig und umfasst vorzugsweise ein Metallpulver. Wird ein Metallpulver verarbeitet, wird häufig aus Gründen des Brandschutzes stromabwärts des Prozessraums 3 und/oder stromaufwärts einer Filtereinheit 40 (s. nachfolgende Figuren) ein Passivierungsmittel, vorzugsweise Kalkpartikel, dem durch die Gasleitung 9 strömenden Prozessgas G zugegeben. Alle pulverförmigen Materialien können als Verunreinigungen im Prozessgas vorliegen. Insbesondere bei einem Riss oder Bruch eines Filters oder einer anderen Komponente, die Reingas und verunreinigtes Gas voneinander trennen soll (z. B. einer Dichtung), werden dann nicht zu vernachlässigende Mengen an Verunreinigungen mit dem Prozessgas G wieder in die Prozesskammer 3 eingebracht, was zu Qualitätsverlusten bei den hergestellten Bauteilen 2 führt.
In Schritt I erfolgt eine Erfassung einer Anzahl von Messwerten M mittels der Kontaminations-Messeinheit 18, wobei jeder Messwert M einen Rückschluss auf einen bei der Erfassung herrschenden Grad der Verunreinigung des durch die Gasleitung 9 strömenden Prozessgases G zulässt. Dabei kann ein Messwert M diesen jeweiligen Grad der Verunreinigung direkt angeben oder einen Wert darstellen, mit dem der Grad der Verunreinigung ermittelt werden kann, z.B. aufgrund der Trübung von optischen Aufnahmen z.B. des Powder-Bed-Monitoring-Systems. Die Erfassung der Messwerten M erfolgt hier während einer additiven Fertigung eines Bauteils 2, vorzugsweise fortlaufend oder in regelmäßigen Zeitabständen.
In Schritt II erfolgt eine Auswertung der Messwerte M. Im Rahmen der Auswertung wird ermittelt, ob sich ein Messwert M oder ein Verlauf einer Mehrzahl von Messwerten M innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs befindet. Die Messwerte M können auf unterschiedliche Weise ausgewertet wird. Beispielsweise wird ein Messwert M oder dessen Veränderung mit mindestens einem vordefinierten Schwellenwert abgeglichen. Eine Mehrzahl von Messwerten M kann auch auf ein sich wiederholendes Messwertverlaufsmuster geprüft werden, wobei z.B. diese Prüfung ein Erkennen wiederholt auftretender Messwertanomalien (z.B. temporäre Messwertausschläge) umfassen kann. Die Auswertung kann auch eine Bildung einer zeitlichen Korrelation zwischen einem Ergebnis einer Erfassung der Anzahl von Messwerten M und mindestens einem Prozessparameter P der Vorrichtung 1, der für eine additive Fertigung eines Bauteils 2 charakteristisch ist, umfassen.
Ein Prozessparameter P kann z.B. für eines der folgenden Kriterien charakteristisch sein: a) Ein Durchsatz, eine Strömungsstärke, eine Richtung, einen Wirkbereich und/oder eine Geschwindigkeit des Prozessgases G im Prozessraum 3, insbesondere jeweils relativ zu einer obersten Schicht des Aufbaumaterials 13, b) eine geometrische und/oder zeitliche Gleichmäßigkeit eines Durchsatzes, einer Strömungsstärke, einer Richtung, eines Wirkbereichs und/oder einer Geschwindigkeit des Prozessgases G im Prozessraum 3, insbesondere jeweils relativ zu einer obersten Schicht des Aufbaumaterials 13, c) eine Fläche, Dicke, Lage und/oder Form eines zu verfestigenden Bereichs auf dem Baufeld 8 zur Fertigung des Bauteils 2, d) ein Zuführen und/oder ein selektives Verfestigen des Aufbaumaterials 13, e) ein Verteilen (z.B. schichtweises Aufträgen) des Aufbaumaterials 13, f) den zumindest einen Energiestrahl 22, der das selektive Verfestigen des Aufbaumaterials 13 bewirkt, insbesondere dessen Wellenlänge, Intensität, Intensitätsverteilung, Strahldurchmesser, Strahlquerschnitt, Auslenkrichtung, Bewegungsrichtung und/oder
Bewegungsgeschwindigkeit innerhalb des Baufelds 8, g) eine Befüllung und/oder Überfüllung eines Überlaufbehälters, der zum Auffangen von überschüssigem Aufbaumaterial 13 in dem Prozessraum 3 vorgesehen ist, oder h) einen erhöhten oder unkontrollierten Austrag von Aufbaumaterial 13 in eine Atmosphäre des Prozessraums 3.
In dem hier dargestellten Schritt wird die Auswertung der Anzahl von Messwerten M unter Berücksichtigung einer Anzahl von Prozessparametern P der Vorrichtung 1 , die für eine additive Fertigung eines Bauteils 2 charakteristisch ist, durchgeführt, insbesondere unter der Annahme, dass es sich bei den erfassten Verunreinigungen um prozessbedingtes Austragsmaterial und/oder Passivierungsmittel handelt.
In Schritt III erfolgt eine Steuerung der Vorrichtung 1 und/oder eines mit dem Fertigungsprozess datentechnisch verbundenen Ausgabegeräts 39 in Abhängigkeit von der Auswertung der Anzahl von Messwerten M. In diesem Beispiel erfolgt eine Steuerung der Vorrichtung 1 mittels einer automatischen Steuerung oder Regelung der Anzahl von Prozessparametern P in Abhängigkeit von der Auswertung der Anzahl von Messwerten M, wobei eine Optimierung und/oder Fehlererkennung in Bezug auf mindestens einen Prozessparameter anhand der Auswertung der Anzahl von Messwerten M erfolgen kann. Beispielsweise kann zur Fertigung eines Bauteils 2 mit einer Vorrichtung nach Figur 1 eine Dosierung des Aufbaumaterials 13 mittels des Beschichters 16 oder dessen Bewegung basierend auf den Messwerten M gesteuert werden.
In dem Fall, dass sich bei der Auswertung der Messwerte M ergibt, dass der Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung 9 strömenden Prozessgas G größer als eine vorgegebene Maximalverunreinigung ist, erfolgt beispielsweise eine Ausgabe einer Warnmeldung auf dem Ausgabegerät 39. Zusätzlich kann der Fertigungsprozess unterbrochen werden, bis der Grad der Verschmutzung wieder gesunken ist und es kann ein automatischer Eintrag einer Information über den Grad der Verunreinigung in ein Qualitätsdatenprotokoll erfolgen.
Figur 3 zeigt ein Umluftfiltersystem 40 mit einer Vorfilterstufe 42, einem Partikelauffangbehälter 44, einem Füllstandssensor 43 zum Messen des Füllstands im Partikelauffang- behälter 44, einer Feinfilterstufe 41 und einem Gebläse 45. Wie mit den Pfeilen angedeutet wird, strömt Prozessgas G aus der Prozesskammer 3 zum Vorfilter 42 und wird dort gefiltert, wobei bei einer Abreinigung des Vorfilters 42 in bestimmten Zeitabständen Filtrat (Partikel) in den Partikelauffangbehälter 44 abgeschieden wird. Anschließend durchströmt das vorgereinigte Prozessgas G die Feinfilterstufe 41, bevor es mittels des Gebläses 45 wieder in die Prozesskammer 3 zurückgeleitet wird. Ein solches Umluftfiltersystem 40 ist im Stand der Technik bekannt. Bei einem Riss oder Bruch in der Feinfilterstufe 41 , der nicht unbedingt bemerkt werden muss, können Verunreinigungen im Prozessgas G verbleiben, und wieder in die Prozesskammer 3 gelangen. Dadurch kann die Fertigung von Bauteilen 2 gefährdet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Beschädigung eines Filters frühzeitig bemerkt werden und es können automatisch Gegenmaßnahmen oder Warnungen eingeleitet werden.
Figur 4 zeigt eine Fertigungsvorrichtung 1 mit Umluftfiltersystem 40 und Partikelseparator 50. Aus der Fertigungsvorrichtung 1 (s. z.B. Figur 1) wird Prozessgas G als Rohgas, also mit Verunreinigungen beladen, durch einen Rohgasstrang 48 abgeführt (oberer Pfeil). Dabei strömt es an einer ersten Kontaminations-Messeinheit 18 vorbei (oben). Es kann nun direkt in eine Vorfilterstufe 42 geführt und dort gereinigt werden (gestrichelter Pfeil), in diesem Beispiel strömt es jedoch zunächst durch einen Partikelseparator 50, der mittels eines Zyklons Partikel aus dem Prozessgas G entfernt und diese in einem Partikelauffangbehälter 44 sammelt. Nun erst strömt das Prozessgas G durch die Vorfilterstufe 42 und eine Feinfilterstufe 41 durch einen Reingasstrang 49 zurück zur Prozesskammer 3 der Fertigungsvorrichtung 1. Dabei strömt es an einer zweiten Kontaminations-Messeinheit 18 vorbei (unten). Durch einfache Messungen mit der zweiten Kontaminations-Messeinheit 18 oder eine Vergleichsmessung beider Kontaminations-Messeinheiten 18 kann nun der Grad der Verschmutzung des durch den Reingasstrang 49 zurückgeführten Prozessgases G bestimmt und ggf. Maßnahmen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingeleitet werden.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel könnte eine Verfestigung anstatt mit Laserlicht auch mit anderen Energiestrahlen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. Der Ausdruck "eine Anzahl" ist als "mindestens ein(e) " zu verstehen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur additiven Fertigung / Fertigungsvorrichtung
2 Bauteil / Objekt
3 Prozessraum / Prozesskammer
4 Kammerwandung
5 Behälter
6 Behälterwandung
7 Arbeitsebene
8 Baufeld
9 Gasleitung
10 Träger
11 Grundplatte
12 Bauplattform
13 Aufbaumaterial (im Behälter 5)
14 Vorratsbehälter
15 Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)
16 Beschichter
17 Strahlungsheizung
18 Kontaminations-Messeinheit
20 Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
21 Laser
22 Laserstrahl / Energiestrahl
23 Umlenkvorrichtung / Scanner
24 Fokussiereinrichtung
25 Einkoppelfenster
29 Steuereinheit
30 Steuereinrichtung
31 Bestrahlungssteuerschnittstelle
32 Auswerteeinheit
39 Terminal / Ausgabegerät
40 Umluftfiltersystem
41 Feinfilterstufe
42 Vorfilterstufe
43 Füllstandssensor
44 Partikelauffangbehälter 45 Gebläse
48 Rohgasstrang
49 Reingasstrang
50 Partikelseparator 60 Bus
A Verunreinigung
BS Steuerdaten / Belichtungssteuerdaten
G Prozessgas
H horizontale Richtung HS Heizungssteuerdaten
M Messwert
P Prozessparameter
PS Prozesssteuerdaten
ST Beschichtungssteuerdaten TS Trägersteuerdaten
V vertikale Richtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einer Vorrichtung (1), wobei auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) verfestigt wird und wobei ein mit Verunreinigungen (A) beladenes Prozessgas (G) durch eine Gasleitung (9) aus dem Prozessraum (3) abgeführt, gefiltert und wieder in den Prozessraum (3) zurückgeführt wird, das Verfahren umfassend die Schritte:
Erfassung einer Anzahl von Messwerten (M) mittels einer Kontaminations- Messeinheit (18), wobei jeder Messwert (M) einen Rückschluss auf einen bei der Erfassung herrschenden Grad der Verunreinigung des durch die Gasleitung (9) strömenden Prozessgases (G) zulässt,
Auswertung der Anzahl von Messwerten (M),
Steuerung der Vorrichtung (1) und/oder eines mit dem Fertigungsprozess datentechnisch verbundenen Ausgabegeräts (39) in Abhängigkeit von der Auswertung der Anzahl von Messwerten (M).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Fall, dass sich bei der Auswertung der Anzahl von Messwerten (M) ergibt, dass der Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung (9) strömenden Prozessgas (G) größer als eine vorgegebene Maximalverunreinigung ist, zumindest einer der folgenden Schritte durchgeführt wird:
Ausgabe einer Information auf dem Ausgabegerät (39), insbesondere eine Warnmeldung oder ein Warnsignal,
Unterbrechen des Fertigungsprozesses, automatischer Eintrag einer Information über den aus der Anzahl von Messwerten (M) ermittelten Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung (9) strömenden Prozessgas (G) in ein Qualitätsdatenprotokoll,
Ermittlung eines Zustandes einer im Fertigungsprozess gefertigten Anzahl von Bauteilen (2) und Abschätzung, welche(s) der Anzahl von Bauteilen (2) verwertbar ist/sind und/oder welche(s) nicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Steuerung der Vorrichtung (1) die Auswertung der Anzahl von Messwerten (M) unter Berücksichtigung einer Anzahl von Prozessparametern (P) der Vorrichtung (1), die für eine additive Fertigung eines Bauteils (2) charakteristisch sind, durchgeführt wird und eine Steuerung der Vorrichtung (1) mittels einer, insbesondere automatischen, Steuerung oder Regelung der Anzahl von Prozessparametern (P) in Abhängigkeit von der Auswertung der Anzahl von Messwerten (M) erfolgt, wobei bevorzugt im Hinblick auf die Steuerung oder Regelung der Anzahl von Prozessparametern (P) eine Optimierung und/oder Fehlererkennung in Bezug auf mindestens einen Prozessparameter anhand der Auswertung der Anzahl von Messwerten (M) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Prozessparameter (P) der Anzahl von Prozessparametern (P) charakteristisch ist für mindestens eines der folgenden Kriterien: einen Durchsatz, eine Strömungsstärke, eine Richtung, einen Wirkbereich und/oder eine Geschwindigkeit des Prozessgases (G) im Prozessraum (3), insbesondere jeweils relativ zu einer obersten Schicht des Aufbaumaterials (13), eine geometrische und/oder zeitliche Gleichmäßigkeit eines Durchsatzes, einer Strömungsstärke, einer Richtung, eines Wirkbereichs und/oder einer Geschwindigkeit des Prozessgases (G) im Prozessraum (3), insbesondere jeweils relativ zu einer obersten Schicht des Aufbaumaterials (13), eine Fläche, Dicke, Lage und/oder Form eines zu verfestigenden Bereichs auf dem Baufeld (8) zur Fertigung des Bauteils (2), ein Zuführen und/oder ein selektives Verfestigen des Aufbaumaterials (13), ein Verteilen des Aufbaumaterials (13), den zumindest einen Energiestrahl (22), der das selektive Verfestigen des Aufbaumaterials (13) bewirkt, insbesondere dessen Wellenlänge, Intensität, Intensitätsverteilung, Strahldurchmesser, Strahlquerschnitt, Auslenkrichtung, Bewegungsrichtung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit innerhalb des Baufelds (8), eine Befüllung und/oder Überfüllung eines Überlaufbehälters, der zum Auffangen von überschüssigem Aufbaumaterial (13) in dem Prozessraum (3) vorgesehen ist, einen erhöhten oder unkontrollierten Austrag von Aufbaumaterial (13) in eine Atmosphäre des Prozessraums (3).
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Rahmen der Auswertung ermittelt wird, ob sich ein Messwert (M) oder ein Verlauf einer Mehrzahl von Messwerten (M) innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs befindet, bevorzugt wobei die Anzahl von Messwerten (M) ausgewertet wird, indem ein Messwert (M) mit mindestens einem vordefinierten Schwellenwert abgeglichen wird und/oder eine Veränderung einer Anzahl von Messwerten (M) mit mindestens einem vordefinierten Schwellenwert abgeglichen wird und/oder eine Mehrzahl von Messwerten (M) auf ein sich wiederholendes Messwertverlaufsmuster geprüft wird, wobei bevorzugt die Prüfung der Anzahl von Messwerten (M) auf das sich wiederholende Messwertverlaufsmuster ein Erkennen wiederholt auftretender Messwertanomalien umfasst, insbesondere solcher, die im Vergleich zum vorbestimmten Zeitraum der Messwerterfassung kurzzeitig auftreten, bevorzugt wobei die Auswertung der Anzahl von Messwerten (M) eine Bildung einer zeitlichen Korrelation zwischen einem Ergebnis einer Erfassung der Anzahl von Messwerten (M) und mindestens einem Prozessparameter (P) der Vorrichtung (1), der für eine additive Fertigung eines Bauteils (2) charakteristisch ist, umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassung einer Anzahl von Messwerten (M), und bevorzugt auch die Steuerung oder Regelung des Prozessparameters, während einer additiven Fertigung eines Bauteils (2) erfolgt, vorzugsweise fortlaufend oder in regelmäßigen Zeitabständen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbaumaterial (13) zumindest teilweise pulverförmig ist und vorzugsweise ein Metallpulver umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei stromabwärts des Prozessraums (3) und/oder stromaufwärts der Filtereinheit (40) ein Passivierungsmittel, vorzugsweise Kalkpartikel, dem durch die Gasleitung (9) strömenden Prozessgas (G) zugegeben wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Fertigung eines Bauteils (2) eine Zuführung des Aufbaumaterials (13) in den Prozessraum (3) erfolgt und im Prozessraum (3) eine Dosiereinrichtung angeordnet ist und/oder ein Beschichter (16) angeordnet ist, der das Aufbaumaterial (13) schichtweise innerhalb eines Baufelds aufträgt, und wobei im Zuge der Steuerung der Vorrichtung (1) in Abhängigkeit von der Anzahl von Messwerten (M) eine Dosierung des Aufbaumaterials (13) mittels der Dosiereinrichtung und/oder des Beschichters (16) erfolgt oder in veränderter Weise erfolgt und/oder eine Bewegung der Dosiereinrichtung und/oder des Beschichters (16) erfolgt oder in veränderter Weise erfolgt.
10. System zur Steuerung eines Fertigungsprozesses zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einer Vorrichtung (1), wobei auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) verfestigt wird und wobei ein mit Verunreinigungen (A) beladenes Prozessgas (G) durch eine Gasleitung (9) aus dem Prozessraum (3) abgeführt, gefiltert und wieder in den Prozessraum (3) zurückgeführt wird, das Steuersystem umfassend: eine Kontaminations-Messeinheit (18) ausgelegt zur Erfassung einer Anzahl von Messwerten (M), wobei jeder Messwert (M) einen Rückschluss auf den jeweiligen Grad der Verunreinigung in dem durch die Gasleitung (9) strömenden Prozessgas (G) zulässt, eine Auswerteeinheit (32), ausgelegt zur Auswertung der Anzahl von Messwerten (M), eine Steuereinheit (29) ausgelegt zur Steuerung der Vorrichtung (1) und/oder eines mit dem Fertigungsprozess datentechnisch verbundenen Ausgabegeräts (39) in Abhängigkeit von der Anzahl von Messwerten (M), wobei das System insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgelegt ist.
11. System nach Anspruch 10, welches als Nachrüstsatz für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) ausgestaltet ist und dazu ausgelegt ist, dass die Kontaminations-Messeinheit (18) in einer Gasleitung (9) der Vorrichtung (1) angeordnet werden kann und die Auswerteeinheit (32) und die Steuereinheit (29) in einer Steuereinrichtung (30) der Vorrichtung (1) angeordnet oder implementiert werden können.
12. System nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die Kontaminations-Messeinheit (18) einen Filterbruchsensor, insbesondere auf Basis des triboelektrischen Effektes, und/oder einen optischen Trübungssensor, und/oder eine Kamera, welche insbesondere die Helligkeit von Bildern überwacht, die durch die Prozessatmosphäre aufgenommen werden, und/oder ein thermooptisches Messgerät und/oder ein System ausgelegt zum Powder Bed Monitoring umfasst und/oder ein Messgerät zum vergleichenden Messen eines Drucks an zwei parallelen Filterstufen.
13. Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) verfestigt wird, die Vorrichtung (1) umfassend: eine Gasleitung (9) zur Führung eines Prozessgases (G) aus dem Prozessraum (3) durch eine Filtereinheit (40) und wieder zurück in den Prozessraum (3), ein System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Kontaminations- Messeinheit (18) des Systems in der Gasleitung (9) angeordnet ist, bevorzugt auf einer Reingasseite der Gasleitung (9).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Filtereinheit (40) höchstens zweistufig, vorzugsweise höchstens einstufig ausgebildet ist, und/oder wobei zumindest ein Filterelement, vorzugsweise alle Filterelemente der Filtereinheit (40) dazu ausgebildet ist/sind, vor, während, oder nach einem Fertigungsprozess abgereinigt zu werden, bevorzugt wobei der Filtereinheit (40) eine Partikelabscheideeinheit stromaufwärts vorgeschaltet ist.
15. Computerprogramm, das in eine programmierbare Steuereinrichtung (30) ladbar ist, mit einem Programmcode, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 9 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf der Steuereinrichtung (30) ausgeführt wird.
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