DE102018200566B4

DE102018200566B4 - System und Verfahren zur Überwachung der Fertigungsgenauigkeit bei der additiven Herstellung dreidimensionaler Bauteile

Info

Publication number: DE102018200566B4
Application number: DE102018200566.4A
Authority: DE
Inventors: Beatrice Bendjus; Ulana Cikalova; Mike Röllig
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2038-01-16
Also published as: CN111837026A; KR102605715B1; DE102018200566A1; CN111837026B; KR20200128664A; JP2021511226A; GB2583658B; WO2019138038A1; GB2583658A; GB202010912D0; GB2583658A9; US20210060855A1; JP7160928B2

Abstract

System zur Überwachung der Fertigungsgenauigkeit bei der additiven Herstellung dreidimensionaler Bauteile durch Detektion von Werkstoffparametern, bei demein kombiniertes Beleuchtungs- und Detektionselement (12), das mit einem zweidimensionalen Detektorarray (1) und mindestens einer Laserstrahlungsquelle (4), mit der elektromagnetische Strahlung auf einen Bereich eines pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoffs, mit dem zumindest ein Bereich eines dreidimensionalen Bauteils infolge eines lokal definierten Energieeintrags hergestellt wird, gerichtet ist unddas Detektorarray (1) so angeordnet und ausgebildet ist, dass in/an der von der Laserstrahlungsquelle (4) bestrahlten Oberfläche auftretende Speckle ortsaufgelöst detektierbar sind; wobeidie mit dem Detektorarray (1) ortsaufgelöst erfassten Speckle-Signale einer elektronischen Auswerte- und Steuerschaltung (3) zuführbar sind unddie elektronische Auswerte- und Steuerschaltung (3) an eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung, die zur Beeinflussung des Herstellungsprozesses ausgebildet ist, angeschlossen ist; undeine thermische Speckle-Anregung mit einem separaten Energiestrahl (10) oder einem Energiestrahl, mit dem der Energieeintrag lokal definiert am pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff für die additive dreidimensionale Fertigung erfolgt, erreichbar ist unddas System unmittelbar an einer Einrichtung zur Glättung (8) für pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff (7) angebracht und mit der Einrichtung zur Glättung (8) bewegbar ist und wobeidas zweidimensionale Detektorarray (1), die mindestens eine Laserstrahlungsquelle (4) und die elektronische Auswerteschaltung (3) gemeinsam an einem Schaltungsträger angeordnet sind undeine Zuführung für Werkstoff eine Tröpfchenauftragseinrichtung, eine Einrichtung zum Laserauftragschweißen oder eine Pulverzuführung für einen additiven Herstellungsprozess und die Einrichtung zur Glättung (8) ein Rakel ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Überwachung der Fertigungsgenauigkeit bei der additiven Herstellung dreidimensionaler Bauteile.
Die als additive oder auch als generative Fertigung bezeichneten Verfahren ermöglichen die zeit- und ressourceneffiziente Herstellung von Bauteilen mit nahezu unbegrenzter gestalterischer und konstruktiver Freiheit. Sie wird aufgrund seiner Vorzüge in der funktionsgerechten Fertigung besonders geschätzt und vorangetrieben. Insbesondere im Bereich der Fertigung von Werkzeugeinsätzen, der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik sowie im Leichtbau und allgemein im Prototyping liefert sie hohes Innovations- und Anwendungspotenzial beispielsweise bei der Fertigung von konturnah gekühlten Turbinenschaufeln oder individualisierten Implantaten.
Trotz kontinuierlicher Weiterentwicklung der Fertigungsprozesse und zunehmender, vor allem durch den Begriff „3D-Druck“ geprägten, medialen Präsens, besteht derzeit noch ein hoher Handlungsbedarf in der Qualitätssicherung und bei der Prozessstabilität. Fehlerhaft eingestellte Prozessparameter oder Schwankungen der Prozessbedingungen können die resultierenden mechanisch-technologischen Bauteileigenschaften verschlechtern oder zum Prozessabbruch führen. Eine nachträgliche Fehlerbearbeitung am Bauteil ist nur teilweise möglich und hebt den Vorteil der additiven Fertigung (englisch Additive Manufacturing AM) wieder auf. Somit besteht ein deutlicher Bedarf an Lösungen zur anlagenintegrierten Prozessüberwachung, die es ermöglichen, im Moment der Defektentstehung diese zu detektieren und den Aufbau des Bauteils zu stoppen, um Material, aber vor allem Zeit und Kosten zu sparen, die für den weiteren Aufbau und die Prozessierung anfallen würden. Ebenso sollten Anomalieerkennungen möglich sein, um den Fertigungsprozess steuern und eine parametrische Regelung durchführen zu können, ohne den Prozess abbrechen zu müssen.
Bisherige Ansätze hierzu sind das Melt Pool Monitoring, bei dem die Überwachung des Bauprozesses durch Thermographie sowie bildgestützte Verfahren, die nicht zur Kontrolle der Hochgeschwindigkeitsprozesse auf engstem Raum geeignet sind, durchgeführt wird.
Vor dem Hintergrund der steigenden Nachfrage nach adäquaten Lösungen zum Zweck der Prozessüberwachung und Produktdokumentation wurden in den letzten Jahren verschiedene Ansätze verfolgt. So ist ein System zur Überwachung der Schmelzbadausdehnung, ähnlich wie es bereits im Bereich des Laserschweißens eingesetzt wird, bekannt. Hierbei wird ein Strahlteiler genutzt, um die emittierte Strahlung des Schmelzbades durch eine Photodiode zu erfassen. Anhand der Strahlungsintensität und unter Verwendung einer weiteren CMOS Kamera kann die Ausdehnung des Schmelzbades erfasst und geregelt werden. Eine optische Kontrolle des Pulverauftrages erfolgt durch eine separat angebrachte CCD-Kamera. Die Bilder der Pulverschicht werden genutzt, um über eventuell vorhandene streifenförmige Spuren im Pulver Abnutzungen und Beschädigungen des Beschichtungsmechanismus zu erkennen.
Bei einem erweiterten Ansatz wurde eine zusätzliche Beleuchtung in das System integriert, um auch zeitlich hoch aufgelöste Aufnahmen realisieren zu können. Es ist dabei auch bekannt, die Intensität der Schmelzbadstrahlung durch einen Mapping- Algorithmus als eine Funktion der Laserstrahlposition in x- und y-Koordinaten darzustellen. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, ein zusammengesetztes Bild der Schmelzbadtemperatur zu erstellen, welches den Eindruck einer Bildaufnahme erzeugt. Dunkle Stellen in den Aufnahmen werden hierbei als Anzeichen für einen abweichenden Prozesswärmestrom gedeutet und können somit lokale Bauteilüberhöhungen aufgrund von Eigenspannungen und Wärmestauungen bei Überhanggeometrien signalisieren.
Aus dem Stand der Technik ist auch die Verwendung eines bi-color-Pyrometers bekannt, welches ebenfalls koaxial in den Laserstrahl eingekoppelt werden kann.
Mit Hilfe von Thermografie kann die räumliche und zeitliche Entwicklung der Wärmeeinflusszone im Strahlschmelzprozess erfasst werden. Durch Zusammensetzung der einzelnen Schichtthermogramme kann ein 3D Report erzeugt werden, der es erlaubt Wärmestauungen an Überhanggeometrien sichtbar zu machen. Jedoch beschränkt sich das Sichtfeld auf einen Bereich der Abmessungen 160 mm x 120 mm, der lediglich einen kleinen Ausschnitt des Baufeldes abdecken kann.
Es wurde auch versucht ein bildgebendes System zur Überwachung des Pulverauftrags und der aufgeschmolzenen Schicht einzusetzen. Dazu werden hochauflösende Bildaufnahmen automatisch während des Bauprozesses aufgenommen und in einem Containerdateiformat dokumentiert. Durch Bildanalysemethoden können in den aufgenommenen Bilddaten lokale Bauteilüberhöhungen detektiert und zur Beurteilung der Prozessstabilität heran gezogen werden.
So ist aus US 2014/0265040 A1 ein System bekannt, mit dem die Geschwindigkeit oder die Förderrate von bei einem Druckverfahren zugeführtem Werkstoff optisch bestimmt werden kann, bekannt.
DE 10 2014 202 020 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenspannungen eines Bauteils.
Ein Verfahren und ein System zur bildlichen Erfassung bei der additiven Fertigung und einer Berücksichtigung von erfassten Werten bei der Herstellung sind in US 2017/0120337 A1 beschrieben.
Von B. Bendjus u.a sind in „Laser-Speckle-Photometrie - optische Sensorik zur Zustands- und Prozessüberwachung“; in 12. Dresdner Sensor-Symposium 2015; 2015-12-07 - 2015 -12 -09, Tagungsband, S. 245-250. DOI: 10.5162/12dss2015/P7.8, ISBN: 978-3-9813484-9-1 Möglichkeiten zur Überwachung bei der additiven Fertigung beschrieben.
WO 2011/153973 A1 betrifft ein Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien Bestimmung von Eigenschaften an Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die online-Überwachung der Fertigungsgenauigkeit bei der additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen anzugeben, die einfach und kostengünstig ausgebildet sind und mit denen die Überwachung mit verbesserter Genauigkeit und auch miniaturisiert durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 8 definiert das Verfahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen System ist ein kombiniertes Beleuchtungs- und Detektionselement vorhanden. Das kombinierte Beleuchtungs- und Detektionselement ist mit einem zweidimensionalen Detektorarray und mindestens einer Laserstrahlungsquelle, mit der elektromagnetische Strahlung auf einen Bereich eines pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoffs, mit dem zumindest ein Bereich eines dreidimensionalen Bauteils infolge eines lokal definierten Energieeintrags hergestellt wird, gerichtet ist, ausgestattet.
Das Detektorarray ist so angeordnet und ausgebildet ist, dass im/am von der Laserstrahlungsquelle bestrahlten Oberflächenbereich auftretende Speckle ortsaufgelöst detektierbar sind.
Die mit dem Detektorarray ortsgelöst erfassten Speckle-Signale werden einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt. Die elektronische Auswerteschaltung ist an eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung, die zur Beeinflussung des Herstellungsprozesses ausgebildet ist, angeschlossen.
Eine thermische Speckle-Anregung wird mit einem separaten Energiestrahl oder einem Energiestrahl, mit dem der Energieeintrag lokal definiert am pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff für die additive dreidimensionale Fertigung erfolgt, erreicht.
Bei einem bei der Erfindung einsetzbaren Detektorarray sollten die einzelnen Detektoren oder Sensoren in einer Reihen- und Spaltenanordnung zur ortsaufgelösten und gleichzeitigen Erfassung von durch eine Anregung mit zugeführter Energie erhaltenen Speckeln angeordnet sein. Dabei können ortsaufgelöste Speckle, die zu gleichen und nachfolgenden Zeiten, die mit vorgebbaren Zeitabständen erfasst worden sind, ausgewertet werden. Es können optische Sensoren eingesetzt werden, die die Intensität elektromagnetischer Strahlung, die auf die jeweiligen Sensoren auftrifft, erfassen können. Dies kann für eine einzige Wellenlänge, einen Wellenlängenbereich oder wellenlängenaufgelöst (spektralaufgelöst) der auf einen optischen Detektor oder Sensor einfallenden elektromagnetischen Strahlung der Fall sein. Mit den orts- und ggf. vorteilhaft auch zeitaufgelöst erfassten Messsignalen der Detektoren oder Sensoren kann eine gewünschte Überwachung der Fertigungsgenauigkeit erreicht werden.
Bei der Erfindung kann also das Prinzip der Laser-Speckle-Photometrie (LSP) angewendet werden.
Die LSP ist zur Echtzeit-Überwachung geeignet und verfügt über eine hohe Empfindlichkeit sowohl für out-of-plane und in-plane Verschiebungen. Im Vergleich zu den anderen Techniken, die sich auf die Verzerrung der gesamten Speckle-Muster oder der Interferenzmuster (Fringes) konzentrieren, misst die LSP die räumlich-zeitliche Dynamik der Speckle, die durch die Intensitätsänderung jedes einzelnen Pixels des Detektorarrays hervorgerufen wird.
Ein Speckle-Muster kann sich nach einer Speckle-Anregung ausbilden, wenn eine raue Oberfläche mit einer kohärenten Lichtquelle beleuchtet wird. Die Streuwellen von verschiedenen Punkten der beleuchteten Fläche interferieren auf der rauen Oberfläche in einer Beobachtungsebene und erzeugen dort das Speckle-Muster als eine räumliche Struktur mit zufällig verteilten Intensitätsminima und -maxima, welche durch einen CCD-/CMOS-Chip als Detektorarray detektiert werden kann. Ein Speckle-Muster trägt in sich eine Fingerprint-Information über die 3D-Beschaffenheit der Oberfläche. Um diese Information über die streuenden Objekte ableiten zu können, wird in der Regel im Nahfeld-Bereich gearbeitet. Die Strukturinformationen können hauptsächlich aus der Ordnungsstatistik der Speckle-Intensität und -Phase oder Amplitude entnommen werden. Neben der Strukturinformation können die mit einem Detektorarray ortsaufgelöst erfassten Speckle-Bilder im Zeitverlauf wichtige Informationen, z.B. über Diffusionsprozesse in untersuchten Objekten. Auf ähnliche Weise kann anhand der in Speckle-Bildern erfassten Bewegung von Material, deren Aktivität mittels entsprechender Algorithmen der dynamisch zeitlich nacheinander erfassten Speckle-Bilder ermittelt werden. Z.B. kann durch eine bestimmte Korrelationsfunktion (Autokorrelationsdifferenz) die Wechselwirkung zwischen Speckle-Dynamik und dem Zustand der jeweiligen Oberfläche einer Probe oder während eines Prozesses ermittelt werden. Der Grundalgorithmus der LSP basiert auf der Berechnung der Temperaturleitfähigkeit unter Verwendung der Lösung der Wärmeübergangsgleichung.
Das Vorgehen ist wesentlich robuster, da nur einen Strahlengang verwendet wird. Der Messaufbau ist einfach und damit effizient miniaturisierbar. Das System ist unmittelbar an einer Einrichtung zur Glättung für pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff angebracht und wird mit der Einrichtung zur Glättung bewegt. Dadurch kann es auch der Vorschubbewegung bei Glättung von aufgetragenem Werkstoff synchron folgen und benötigt keinen eigenen Antrieb dafür. Das System kann dabei so angeordnet sein, dass eine Erfassung von Speckle-Signalen an einer vorab mit einem Energiestrahl zur Verfestigung von Werkstoff bearbeiteten Schicht die Detektion gleichzeitig mit der Bewegung für einen Werkstoffauftrag oder eine Glättung durchgeführt führt.
Eine Zuführung für Werkstoff ist eine Tröpfchenauftragseinrichtung, insbesondere eine Druckeinrichtung, eine Einrichtung zum Laserauftragsschweißen oder eine Pulverzuführung für einen additiven Herstellungsprozess und die Einrichtung zur Glättung ist ein Rakel.
Als Werkstoffe für die additive Fertigung können die unterschiedlichsten Metalle mit ihren Legierungen oder keramische Werkstoffe eingesetzt werden. Es können auch Bauteile additiv hergestellt werden, die mit mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden sollen.
Das zweidimensionale Detektorarray, die mindestens eine Laserstrahlungsquelle und die elektronische Auswerteschaltung sowie ggf. weitere erforderliche Elemente, beispielsweise eine Elektroenergieversorgungseinheit und ein reflektierendes Element, sind gemeinsam an einem Schaltungsträger angeordnet. Dadurch lässt sich die Miniaturisierung weiter verbessern. Der Schaltungsträger kann mehrlagig sein. Elektrisch leitende Verbindungen können mittels aufgedruckter elektrischer Leiterbahnen und Durchkontaktierungen (VIAs) ausgebildet werden. Zumindest die mindestens eine Laserstrahlungsquelle und das Detektorarray sollten dabei an der Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet sein, die in Richtung Bauteil bzw. den Werkstoff, mit dem das Bauteil hergestellt werden soll, weist.
Ein separater Energiestrahl sollte auf ein reflektierendes Element und der von dort reflektierte Energiestrahl bevorzugt auf einen Bereich des pulverförmigen Werkstoffs oder des in pastöser Form vorliegenden Werkstoffs auftrifft, der nicht mit der Laserstrahlungsquelle bestrahlt und/oder der nicht vom Detektorarray detektiert wird. Ein separater Energiestrahl kann ebenfalls ein Laserstrahl sein.
Wie bereits angedeutet, sollte das reflektierende Element ebenfalls an der Zuführung oder der Einrichtung zur Glättung für pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff angebracht sein und gemeinsam mit der Zuführung oder der Einrichtung zur Glättung bewegt werden können. Dadurch kann erreicht werden, dass eine thermische Anregung ohne zusätzliche Maßnahmen an einem für die Detektion der Speckle-Signale günstigen Ort erreicht werden kann.
Bei der Erfindung besteht die Möglichkeit, dass die die Laserstrahlungsquelle eine Laserdiode oder ein Laserdiodenarray und/oder das Detektorarray ein CCD- oder CMOS-Array ist.
Zwischen dem Werkstoff und der Laserstrahlungsquelle und/oder dem Detektorarray kann/können ein optisches Filter und/oder ein optisches strahlformendes Element, insbesondere eine optische Linse angeordnet sein. Mit einem optischen Filter können störende Anteile elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise reflektierte oder gestreute Strahlung bei der Detektion und Auswertung vermieden, zumindest jedoch unterdrückt werden. Außerdem kann besser monochromatisierte elektromagnetische Strahlung für die Bestrahlung genutzt werden, wenn ein optisches Filter vor der mindestens einen Laserstrahlungsquelle angeordnet ist. Mit mindestens einem optischen Element kann die Größe und Form der jeweils bestrahlten und/oder detektierten Fläche an aufgebrachtem oder verteiltem Werkstoff beeinflusst werden.
Bei dem Verfahren wird so vorgegangen, dass mit der Laserstrahlungsquelle elektromagnetische Strahlung auf einen Bereich eines pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoffs, mit dem zumindest ein Bereich eines dreidimensionalen Bauteils infolge eines lokal definierten Energieeintrags additiv hergestellt wird, gerichtet wird.
Das Detektorarray ist dabei so angeordnet und ausgebildet, dass im von der Laserstrahlungsquelle bestrahlten Oberflächenbereich auftretende Speckle ortsaufgelöst detektiert werden.
Die mit dem Detektorarray ortsaufgelöst erfassten Speckle-Signale werden einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt. Die elektronische Auswerteschaltung ist an eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung, die zur Beeinflussung des Herstellungsprozesses ausgebildet ist, angeschlossen und an die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung werden die ausgewerteten Speckle-Signale übertragen.
Eine thermische Speckle-Anregung wird mit einem separaten Energiestrahl oder einem Energiestrahl, mit dem der Energieeintrag lokal definiert am pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff für die additive dreidimensionale Fertigung erfolgt, erreicht.
Mit der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung wird der Fertigungsprozess beendet oder unter Berücksichtigung der erfassten und ausgewerteten Speckle-Signale im Anschluss an die Auswertung so beeinflusst, dass Fertigungsfehler, insbesondere Fehler beim Auftrag des Werkstoffs kompensiert werden, wenn eine Abweichung zu vorab ermittelten Speckle-Signalen an korrekt aufgetragenem Werkstoff fest gestellt worden ist.
Dadurch kann vermieden werden, dass es zu Ausschuss mit einem unnötigen Verbrauch an Werkstoff und Energie kommt.
Ein Energiestrahl, der für eine Verfestigung des aufgetragenen Werkstoffs, insbesondere zu einer Sinterung oder einem Verschmelzen genutzt wird, kann insbesondere ein Elektronen- oder Laserstrahl sein. Ein solcher Energiestrahl kann zusätzlich auch für eine thermische Anregung, die zu einer Generierung von Specklen genutzt werden kann, ausgenutzt werden. Dabei kann ggf. auf einen separaten Energiestrahl für diese Anregung verzichtet werden.
In Abgrenzung zu den oben genannten Ansätzen (Thermographie und Melt-Pool-Monitoring) ist ein auf der Speckle-Sensorik basierendes miniaturisiertes Überwachungssystem in der Lage, konkrete Werkstoffparameter (wie Porosität, potenziell aber auch weitere) sowie oberflächenoffene Defekte während des additiven 3D-Fertigungsprozesses zu detektieren. Darüber hinaus sind die einzelnen Komponenten eines erfindungsgemäßen Systems im Vergleich zu bisher bekannten technischen Lösungen auf kleinstem Raum integrierbar, was insbesondere die Nachrüstung an einer bereits vorhandenen Anlage zur additiven Fertigung ermöglicht. Der Aufbau mehrerer miniaturisierter LSP-Sensoreinheiten zu einem Sensor-Array kann auch für ein simultanes Mapping von Werkstoffparametern verwendet werden.
So können schnell durchgeführte Fertigungsprozesse überwacht werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Die in den Figuren gezeigten und bei der Beschreibung dazu erläuterten Merkmale können unabhängig von der jeweiligen Figur und dem jeweiligen Beispiel miteinander kombiniert werden.
Dabei zeigen:

1 in zwei Ansichten ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems;
2 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems, das an einer Vorrichtung, die zur selektiven Lasersinterung oder zum selektiven Laserschmelzen ausgebildet ist, eingesetzt ist und
3 zwei Darstellungen in verschiedenen Ansichten eines Beispiels.

Das innovative kombinierte Beleuchtungs- und Detektionselement 12 kann für eine LSP eingesetzt werden. Dabei sind neben einem hochauflösenden Bildwandler (CMOS/CCD) als Detektorarray 1 bei diesem Beispiel in Kombination mit einem optischen Filter 1a und einer optischen Linse/Objektiv 1b, eine energieeffiziente elektronische Auswerte- und Steuerschaltung 3, beispielsweise ein Chipsatz/Elektronik zur Steuerung des Messregimes sowie zur detektornahen Bildverarbeitung und eines Laserdioden-Arrays als Laserstrahlungsquelle 4 zur Anregung von Speckle-Mustern an einem Schaltungsträger 5, beispielsweise einer Leiterplatte angebracht. Diese Elemente können durch störfeste und stromarme elektrische Schnittstellen über nichtdargestellte auf den Schaltungsträger 5 aufgedruckte elektrische Leiterbahnen und Durchkontaktierungen miteinander verbunden sein. Es kann auch eine Elektroenergieversorgungseinheit 6, die flexibel an den jeweiligen Einsatzort angepasst ist, auf/am Schaltungsträger 5 vorhanden sein.
Ein mehrschichtiger bzw. mehrlagiger Aufbau eines Schaltungsträgers 5 ist insbesondere in der unteren seitlichen Schnittdarstellung durch dieses Beispiel erkennbar.
Die Größe der Einzelbauelemente, insbesondere die des Detektorarrays 1 und des Laserdiodenarrays als Laserstrahlungsquelle 4 können bei einem mehrlagigen Schaltungsträger 5 mit optimierten Line/Space-Bedingungen und miniaturisierten Bohrungen vorteilhaft eingesetzt werden. Dabei kann der Aufbau in z-Achsrichtung beliebig erweitert werden. Es können also dickere oder Schaltungsträger 5 mit mehr als zwei Lagen eingesetzt werden.
Das kombinierte Beleuchtungs- und Detektionselement 12 wird an die Maschineneinheit, die zum Auftragen und Glätten eines schichtweise auf ein Pulverbett aufgetragenen und mit einem Energiestrahl bearbeiteten pulverförmigen Werkstoff 7 ausgebildet ist, befestigt. Dies kann an einem Rakel 8 erfolgen, der zum Glätten und die Einhaltung einer bestimmten Schichtdicke des pulverförmigen Werkstoffs 7 genutzt wird. Dies ist in 2 gezeigt. Der Rakel 8 wird zur Ausbildung einer Schicht eines Pulverbetts bewegt, um den pulverförmigen Werkstoff 7 gleichmäßig, d.h. insbesondere mit einer konstanten Schichtdicke über die gesamte Schichtfläche homogen zu verteilen.
Mit dem kombinierten Beleuchtungs- und Detektionselement 12 kann jede Lage eines zu additiv zu fertigenden Bauteils 9 an einem Punkt oder linienweise während seiner Herstellung vermessen werden. Dabei können beispielsweise eine ungleichförmige Verteilung des pulverförmigen Werkstoffs 7 bei einer Schicht, in der jeweiligen Schicht vorhandene Partikel deren Partikelgröße von Vorgaben abweicht oder Verunreinigungen detektiert und dann entsprechend berücksichtigt werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, das kombinierte Beleuchtungs- und Detektionselement 12 und ggf. andere zu einem System gehörende Komponenten nach oder während der Bearbeitung einer jeweiligen Schicht aus pulverförmigen Werkstoffs 7 mit einem Energiestrahl zur Verfestigung des jeweiligen Werkstoffs 7 eine Detektion mittels LSP durchzuführen und dabei auch Fehler, die bei der additiven Fertigung bei der Ausbildung mindestens einer Schicht aufgetreten sind, zu erkennen. Bei Erkennen von Fehlern kann mittels einer nicht gezeigten elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung, die zur Beeinflussung des Herstellungsprozesses ausgebildet ist, ein Eingriff in den Fertigungsprozess vorgenommen werden, wie dies im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden ist.
Die thermische Anregung wird bei diesem Beispiel mit einem separaten Energiestrahl 10, der von einer Photo-/Laserdiode 10.1 emittiert und auf ein den Energiestrahl 10 reflektierendes Element 11 gerichtet ist. Der Energiestrahl 10 und das reflektierende Element 11 sind dabei so angeordnet und zueinander ausgerichtet, dass der Energiestrahl 10 mit seinem Brennfleck auf die Oberfläche des pulverförmigen Werkstoffs 7 auftrifft und eine thermische Anregung bewirkt. Der Brennfleck sollte dabei auf eine Position gerichtet sein, die nicht unmittelbar im Detektionsbereich liegt, der mit dem Detektorarray 1 erfasst werden kann.
Die linke Darstellung von 3 zeigt schematisch, wie ein Laserstrahl 10 zur Anregung von Speckeln auf eine Oberfläche eines additiv herzustellenden Bauteils 9 gerichtet wird. Dabei ist ein Detektorarray 1 an einem Rakel 8 angeordnet und wird mit diesem mit bewegt. Mit dem Rakel 8 erfolgt eine schichtweise Pulververteilung, wie dies beim selektiven Laserschweißen bzw. -sintern üblich ist.
Mit der rechten Darstellung wird deutlich, dass das Detektorarray 1 mit mehreren optischen Sensoren, die in einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet sind gebildet ist. Am Detektorarray 1 ist ein reflektierendes Element 11 vorhanden, mit dem der Laserstrahl 10 auf die Oberfläche der obersten Schicht des Pulverbetts mit dem das Bauteil 9 additiv hergestellt wird, zur Anregung von Speckeln gerichtet wird.
Die optischen Sensoren erfassen ortsaufgelöst die mit dem Laserstrahl 10 angeregten Speckle.

Claims

System zur Überwachung der Fertigungsgenauigkeit bei der additiven Herstellung dreidimensionaler Bauteile durch Detektion von Werkstoffparametern, bei dem ein kombiniertes Beleuchtungs- und Detektionselement (12), das mit einem zweidimensionalen Detektorarray (1) und mindestens einer Laserstrahlungsquelle (4), mit der elektromagnetische Strahlung auf einen Bereich eines pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoffs, mit dem zumindest ein Bereich eines dreidimensionalen Bauteils infolge eines lokal definierten Energieeintrags hergestellt wird, gerichtet ist und das Detektorarray (1) so angeordnet und ausgebildet ist, dass in/an der von der Laserstrahlungsquelle (4) bestrahlten Oberfläche auftretende Speckle ortsaufgelöst detektierbar sind; wobei die mit dem Detektorarray (1) ortsaufgelöst erfassten Speckle-Signale einer elektronischen Auswerte- und Steuerschaltung (3) zuführbar sind und die elektronische Auswerte- und Steuerschaltung (3) an eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung, die zur Beeinflussung des Herstellungsprozesses ausgebildet ist, angeschlossen ist; und eine thermische Speckle-Anregung mit einem separaten Energiestrahl (10) oder einem Energiestrahl, mit dem der Energieeintrag lokal definiert am pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff für die additive dreidimensionale Fertigung erfolgt, erreichbar ist und das System unmittelbar an einer Einrichtung zur Glättung (8) für pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff (7) angebracht und mit der Einrichtung zur Glättung (8) bewegbar ist und wobei das zweidimensionale Detektorarray (1), die mindestens eine Laserstrahlungsquelle (4) und die elektronische Auswerteschaltung (3) gemeinsam an einem Schaltungsträger angeordnet sind und eine Zuführung für Werkstoff eine Tröpfchenauftragseinrichtung, eine Einrichtung zum Laserauftragschweißen oder eine Pulverzuführung für einen additiven Herstellungsprozess und die Einrichtung zur Glättung (8) ein Rakel ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Energiestrahl (10) auf ein reflektierendes Element (11) und der von dort reflektierte Energiestrahl (10) auf einen Bereich des pulverförmigen Werkstoffs oder des in pastöser Form vorliegenden Werkstoffs (7) auftrifft, der nicht mit der Laserstrahlungsquelle (4) bestrahlt und/oder der nicht vom Detektorarray (1) detektiert wird.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Element (11) an der Zuführung oder der Einrichtung zur Glättung (8) für pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff (7) angebracht und mit der Zuführung oder der Einrichtung zur Glättung (8) bewegbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlungsquelle (4) eine Laserdiode oder ein Laserdiodenarray und/oder das Detektorarray (1) ein CCD- oder CMOS-Array ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung für Werkstoff eine Druckeinrichtung ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Werkstoff (7) und der Laserstrahlungsquelle (4) und/oder dem Detektorarray (1) ein optisches Filter (1a) und/oder ein optisches strahlformendes Element (1b) angeordnet ist/sind.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das optische strahlformende Element (1b) eine optische Linse ist.
Verfahren zur Überwachung der Fertigungsgenauigkeit bei der additiven Herstellung dreidimensionaler Bauteile durch Detektion von Werkstoffparametern mit einem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Laserstrahlungsquelle (4) elektromagnetische Strahlung auf einen Bereich eines pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoffs, mit dem zumindest ein Bereich eines dreidimensionalen Bauteils infolge eines lokal definierten Energieeintrags hergestellt wird, gerichtet wird und das Detektorarray (1) so angeordnet und ausgebildet ist, dass auf von der Laserstrahlungsquelle (4) bestrahlten Oberfläche auftretende Speckle ortsaufgelöst detektiert werden; wobei die mit dem Detektorarray (1) ortsgelöst erfassten Speckle-Signale einer elektronischen Auswerte- und Steuerschaltung (3) zugeführt werden und die von der elektronischen Auswerte- und Steuerschaltung (3) ausgewerteten Speckle-Signale werden an eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung, die zur Beeinflussung des Herstellungsprozesses ausgebildet ist; und eine thermische Speckle-Anregung mit einem separaten Energiestrahl (10) oder einem Energiestrahl mit dem der Energieeintrag lokal definiert am pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff für die additive dreidimensionale Fertigung erfolgt, erreicht wird, und mit der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung der Fertigungsprozess beendet oder unter Berücksichtigung der erfassten und ausgewerteten Speckle-Signale im Anschluss so beeinflusst wird, dass Fertigungsfehler kompensiert werden, wenn eine Abweichung zu vorab ermittelten Speckle-Signalen an korrekt aufgetragenem Werkstoff (7) fest gestellt worden ist und Werkstoff mit einer Zuführung, die eine Tröpfchenauftragseinrichtung oder eine Einrichtung zum Laserauftragschweißen ist zugeführt und das System an einer Einrichtung zur Glättung (8) für pulverförmigen oder in pastöser Form vorliegenden Werkstoff (7) angebracht ist, die ein Rakel ist, und das System mit der Einrichtung zur Glättung (8) bewegt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Fehler beim Auftrag des Werkstoffs (7) kompensiert werden.