CN117916588A - 用于增材制造的设备的传感器装置、用于增材制造的设备和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在制造过程中增材制造部件(2)的设备(1)的传感器装置(9)，其中优选包括金属粉末的构造材料(13)在加工区(3)中的构造场(8)上通过利用至少一种能量束(AL)对构造材料(13)的辐照而被固化，传感器装置(9)包括：‑传感器模块(90)，被设计用于检测渗入传感器模块(90)的气体样品(P)中的氧分子，并基于氧分子的量生成传感器电信号(S)，‑选择性过滤元件(F)，被设计用于过滤气体样品(P)，使得至少氢分子和/或氢离子和/或水分子和/或氢氧根离子从气体样品(P)中滤出。本发明还进一步涉及制造设备和利用此类传感器装置的测量方法。

Description

用于增材制造的设备的传感器装置、用于增材制造的设备和 测量方法
技术领域
本发明涉及用于在制造过程中增材制造部件的设备的传感器装置，其中优选包括金属粉末的构造材料在加工区中的构造场上通过利用至少一种能量束对构造材料的辐照而被逐层固化，本发明还涉及此类设备和利用此类传感器装置的测量方法。
背景技术
增材制造过程在原型制造和批量制造中的应用日益广泛。一般来说，“增材制造过程”指一种制造过程，其中通过材料沉积(“构造材料”)，在数字三维设计数据的基础上构造生产品(以下也称为“部件”)。构造因此通常分层，但并非必须分层进行。“三维打印”一词通常被用作增材制造的同义词，利用增材制造过程制造模型、样品和原型通常被称为“快速原型制造”，制造工具被称为“快速模具制造”，灵活制造系列部件被称为“快速制造”。正如开头所述，关键点是构造材料的选择性固化，在许多制造过程中，该固化可借助辐射能(如电磁辐射，特别是光辐射和/或热辐射，也可能是电子辐射等粒子辐射)的辐照进行。“选择性激光烧结”或“选择性激光熔融”就是利用辐照进行加工的过程实例。在此，主要为粉末状的构造材料薄层被反复逐层叠加。在每一层中，通过对制造后将成为部件一部分的区域进行空间有限的辐照，在“焊接过程”中选择性固化构造材料，其中构造材料的粉末颗粒借助辐照在该点局部引入的能量而部分或完全熔化。这些粉末颗粒冷却后则彼此凝结形成固体。在大多数情况下，能量束沿构造场上的固化路径被引导，各层材料的重熔或固化以“焊道”或“焊缝(Schweiβraupen)”的形式进行，因此最终在部件中会出现大量由焊道形成的此类层。通过此方式现在可制造具有非常高品质和断裂强度的部件。
不过应该注意，加工室中的氧气含量对部件质量有影响。尤其是金属部件的孔隙率与加工室中的氧气浓度之间存在相关性。基于此，对于质量和强度最高的部件，应在制造过程中测量加工室中的氧气浓度，例如应不超过1000ppm。
即使在实践中工作经常在加工区的保护气体氛围中进行，但通常总会受到氧气的“污染”。这尤其是因为氧气可通过泄漏渗入***。即使加工区本身经常处于轻微超压状态，整个***的供应管线或过滤点中肯定也有一些地方可能存在负压。例如，在这些点上，氧气可以渗透到***中，也可以通过气体运动渗透到加工区中。不过，氧气也可能来自***中的湿气(水蒸气)。通常，构造材料中存在一定量的残留湿气。其通过蒸发进入加工区。在能量束区域，水分子通过其高能量和功率可裂解为氧原子和氢原子，然后以氢分子和氧分子的形式重新结合。鉴于由激光诱导水裂解产生的氢原子和氧原子浓度相对较低，因此也可以想象氢原子和氧原子不会完全重新结合，因此这些原子物种也可能存在于加工室中。氢原子尤其会对氧气浓度测量的稳定性产生负面影响，具体说明如下。
加工区中的氧气浓度(来自氧分子)通过使用氧气传感器测量。其中具有多种操作原理。这里应特别提及电流传感器和电位传感器。对于电位传感器，电压或电阻反映氧气浓度。在电流传感器中，氧分子在阴极电离并在阳极重新结合，据此产生与氧气浓度成比例的电流。
然而，在某些情况下，氧气的测量可能会出现错误，这尤其是由于传感器对氢分子和水分子的交叉敏感性。这些物质在氧气浓度较低时可在传感器中产生错误信号。这些错误信号基本上是由水分子和氢分子造成，它们可通过各种机制或化学反应使信号失真。氢气和水均可依组成材料被传感器的电极吸附，并在此处各自裂解为氢阴离子和氢阳离子以及氢氧根离子和氢阴离子。根据温度和压力条件，氢分子的被吸附状态以及相应裂解成氢阴离子和氢阳离子会对电极的电阻(以及相应产生的电信号)产生正或负影响。氢原子的吸附会产生同样影响，如上文所述，氢原子可源于加工室中的水裂解。因此，信号不稳定性可通过电极表面上氢(原子或分子)的吸附来解释。此外，观察到的信号不稳定性也可通过水、氢和氧之间的化学重量来解释，该化学重量系在传感器环境的温度条件下经由传感器电极的催化作用在传感器环境中产生。
如氧气浓度下降到低于传感器的某个测量阈值(如约<400ppm)，例如由于传感器上的湿气或氢气聚集，尤其是基于电源原理的传感器就会因交叉敏感性原理而表现出不稳定的信号特性。指定的示例值400ppm因此并非加工区中期望的氧气浓度(例如约0.1％)，而是一个极限，低于该极限传感器测量信号通常会变得不稳定。尤其当氧气浓度小于400ppm时会导致水和氢气/氧气交替产生，从而产生强烈波动的信号特征。
发明内容
本发明的任务是提供传感器装置或设备，即使在氧气浓度较低的情况下也能显示稳定的信号特性，从而使部件的增材制造始终能在规定条件下进行。
该任务通过根据权利要求1的传感器装置、根据权利要求8的设备以及根据权利要求11的测量方法得以实现。
根据本发明的传感器装置用于在制造过程中增材制造部件的设备(“制造装设备”)，其中优选包括金属粉末的构造材料在加工区中的构造场上通过利用至少一种能量束对构造材料的辐照而被固化。该传感器装置包括以下组件：
-传感器模块，被设计用于检测渗入传感器模块的气体样品中的氧分子，并基于氧分子的量生成电的传感器信号，
-选择性过滤元件，被设计用于过滤气体样品，使得至少氢分子和/或氢离子和/或水分子和/或氢氧根离子从气体样品(P)中滤出。
所提到的两个组件可一起附接在壳体上或壳体内发挥作用，或者彼此分开，其中在这种情况下，过滤元件必须以能够过滤气体样品的方式附接。例如传感器模块可布置在气体管线中并且过滤元件可如此附接，使得其通过气体管线过滤气流。当然，传感器装置还可包括其他组件，例如用于固定或附接传感器的元件、用于处理测量信号的电子器件(例如ADC)或用于调节测量操作的调节装置。
合适的传感器模块在现有技术中为已知。本发明尤其可有利地应用于电流或电位测量传感器，但也可有利地应用于其他传感器。传感器模块可配备能够进行参考测量的参考传感器和/或参考组件。特别是在电位传感器的情况下，参考室或参考体积集成到传感器中，其中参考体积与电极直接接触。在下文中，术语“参考传感器”也指传感器的“参考组件”。在电流测量传感器的情况下，参考传感器和/或参考组件包括电化学参考电池，例如固态电池(例如用于测量的由钯、铑、铷和相应氧化物制成的固态电池)，在电位测量传感器的情况下，则包括参考气体体积。不过，参考传感器和/或参考组件也可如此布置或设计，使得其气体样品不被过滤元件过滤，或被另一过滤元件过滤。
应当注意，传感器根据测量范围中存在的氧分子产生其传感器信号。传感器信号最初取决于氧分子的量。然而，由于测量参数通常为已知(例如气体样品的体积及其压力)，因此通常可直接从传感器信号推定氧气浓度，或者传感器信号是氧气浓度的直接量度。传感器信号优选与氧气浓度成比例。
传感器信号可以是模拟信号，特别是电压或电流，或者是数字信号，例如数字数值。后者可通过使用模数转换器(ADC)转换模拟信号来实现。
过滤元件为选择性的，这表明其并非过滤所有分子，而是选择性过滤单个分子类型或一组分子类型。这些分子类型至少是氢分子和/或氢离子和/或水分子和/或氢氧根离子。它们可能会在传感器中产生干扰信号，这在低氧气浓度下尤其有害。如将这些分子类型从气体样品中滤出，则氧气浓度变化不会很明显，因为气体样品的最大部分系由保护气体或惰性气体(例如氩气或氮气)形成。故此可以减少传感器信号中的干扰成分，而不会显著扭曲传感器信号的效力。
应当注意，水和氢气会对传感器信号造成干扰，尤其是电流测量传感器。例如，在电流测量能斯特电池中，电压被施加到两个铂电极。在与待测气体样品直接接触的阴极处，氧分子被还原成氧离子(O2-)。氧离子通过固体电解质(例如二氧化锆基板)扩散，并在阳极被氧化。该氧化产生的电流通过电流计测量。这需要参考测量值，例如使用钯/氧化钯固态电池来实现。电位传感器也会产生上述效果。
然而，加工区中不仅存在氧气，还存在氢气和水。水主要来自粉末中不可避免地含有的湿气。某些金属粉末中还可能含有氢气，其可能会在制造过程中逸出。加工区中的氧气主要来自加工区本身的泄漏处。
第一步，水(从粉末中逸出)在能量束(如激光束)的辐照下裂解成氢原子和氧原子，它们重新结合生成氧分子和氢分子。氢气和氧气可从加工室中扩散到传感器，其中需注意，氧气更容易被金属冷凝物吸收。因此，可以认为氧气和氢气在加工室或传感器中的比例并非1:2。如上所述，传感器中气体样品中的氧气主要来自加工区的泄漏处，与主要由水裂解产生或直接从金属粉末中逸出的氢气无化学关系。
但水也可能是由传感器处氧气和氢气间的反应所产生。该反应是由传感器处高温引起(工作温度应在300-700℃之间，以允许氧离子通过二氧化锆基板扩散)。该反应导致传感器测量的电流减少，因为氧气在反应中被消耗，从而不再到达阴极。
除氧气外，氢气也会在传感器上裂解成氢离子，并在电极之间产生电流。如氧气浓度明显高于氢气浓度，则传感器能可靠地测量氧气。在相反情况下(氢气过量)，氢气会导致传感器不稳定。氢气可以在两种不同的状态下被铂吸附。在其中一种状态下，氢气吸附会导致铂的电阻增大，而在另一种状态下电阻会减小。被吸附的氢气处于何种状态主要取决于温度。由于传感器的工作温度较高，氢气会从一种状态转变为另一种状态，从而导致信号不稳定。
此外，水(H2O)在传感器中可被裂解成氢阴离子(H+)和氢氧根离子(OH-)。如传感器中至少存在最低浓度的水(来自构造材料或氢气和氧气间反应)，则水将被铂吸附。由此产生的离子在传感器中的作用与氧气类似：氢阴离子(H+)在阴极被还原，氢气扩散到加工室中，而氢氧根离子(OH-)在阳极以与氧离子类似的方式被氧化。由于氢氧根离子的氧化，电流计上会测量出电流，就像加工室中存在氧气一样。这一反应过程相当于水的电解。在这种情况下，氧气浓度会被高估。在该反应中水被消耗，同时加工室内也产生氢气，由于氢气吸附于铂上再次导致信号不稳定，或再次导致氧气消耗(由于氧气和氢气间反应)，从而导致传感器上信号减弱或氧气浓度被低估。
氢氧根离子还会在电极之间产生电流，这种电流通常也远低于氧气信号，但在氧气浓度低和水浓度高的情况下也可能变得占主导地位。
如果现在从作为气体样品渗入传感器模块的气体体积中过滤出氢气和水，则传感器信号中的相关干扰成分被抑制或阻止。尤其是当过滤元件位于电极之间的传感器模块中(在固体电解质情况下)时，则直接过滤掉氢氧根离子尤为有利。
根据本发明的设备(“制造设备”)用于在制造过程中增材制造部件，其中优选包括金属粉末的构造材料在加工区中的构造场上通过利用至少一种能量束对构造材料的辐照而被固化，该设备包括以下组件：
-用于将构造材料形成的材料层施加到构建场的供给装置，
-用于在两个材料层的施加之间通过利用至少一种能量束的辐照选择性固化构造材料的辐照装置，以及
-根据本发明的传感器装置。
在现有技术中，供给装置(例如逐层施加金属粉末的装置)和辐照装置(例如激光器)均为已知。特殊特征在于根据本发明的传感器装置，其允许更好地测量氧气浓度。除这些组件之外，制造设备还可具有通常用于制造的其他组件。
此处应注意，根据本发明的设备还可具有多个辐照装置，这些辐照装置可通过控制数据以相应协调的方式进行控制。仅为完整起见，此处应该提及，能量束既可以是粒子束，也可以是电磁束，例如光或优选激光束。
利用根据本发明的设备中的根据本发明的传感器装置的根据本发明的测量方法包括以下步骤：
-在设备加工区中产生气流，使气体样品通过气流到达传感器模块，
-通过传感器装置的传感器模块生成传感器信号，
-可选：利用传感器信号控制或调节设备。
可例如通过循环泵或用于吹入保护气体或惰性气体的泵来产生气流。其并非必须直接吹到传感器模块上。只要气流移动经过传感器即足够，这可通过加工区中的循环或通过传感器模块所在管线的气流来完成。
可以简单地通过将传感器信号与代表期望范围和不期望的范围之间界限的限值进行比较来实现控制或调节。一旦传感器信号离开期望范围，就会启动措施，例如改变气流，以便传感器信号移回期望范围。
此外，本发明的特别有利的设计方案和改进源自从属权利要求和以下说明，其中一个权利要求类别的独立权利要求也可类似于另一权利要求类别的从属权利要求和实施例进行改进，尤其是不同实施例或变型形式的个别特征也可结合起来形成新的实施例或变型形式。
在优选的传感器布置中，过滤元件包括分子筛和/或吸附剂，气体样品在渗入传感器模块之前被引导通过该分子筛和/或吸附剂。优选分子筛或吸附剂包括沸石或活性炭。尤其是具有正确孔径(3A)的沸石能够有利地吸附氢气和水。为将氢气从工作气体中选择性滤除，也可特别是在合适的其他吸附材料(分子筛、活性炭等)上进行催化吸附。替代地或附加地，可以使用铂层，气体样品在渗入传感器模块之前被引导经过该铂层。该铂层可作为延伸表面或以颗粒表面的形式存在。
根据优选的传感器装置，传感器模块具有(至少)一个阳极和(至少)一个阴极并且尤其为电流测量传感器或电位测量传感器。因此优选传感器装置在阳极和阴极之间包含固体电解质，特别是二氧化锆(ZrO2)，过滤元件设置在固体电解质之中或之上。在这种情况下，过滤元件位于电极之间的传感器模块中，并且优选能吸附氢氧根离子或将其转化为水。
在优选的传感器布置中，过滤元件布置成在气体样品渗入传感器模块之前对其进行过滤。这可通过传感器模块中前述过滤元件的附加过滤元件或者替代过滤元件实现。优选过滤元件至少部分围绕传感器模块或至少其电极，或者过滤元件被布置成可在通向传感器模块的气体供给***中过滤气体样品(即过滤通向传感器模块的供气管线)。
根据优选的传感器布置，过滤元件由传感器模块的电极形成，其中如此选择电极的电极材料，使得气态水转化为氢离子和氢氧根离子和/或氢分子转化为氢离子和/或气态水和/或氢的吸附被抑制。优选如此选择电极材料，使得由于其化学特性和/或表面特性而能够吸附水和/或氢气，从而抑制水和/或氢气导致氧浓度的错误测量信号。替代地或附加地，水和/或氢气转化成离子的抑制可归因于电极材料的化学和/或表面特性。水和氢气的吸附和/或错误测量信号的抑制和/或水和/或氢气转化为离子的抑制可通过在测量操作期间改变施加到电极的电压和/或改变传感器模块的工作温度来实现和/或加强。
优选的传感器装置包括被设计用于控制传感器模块的工作电压和/或工作温度和/或过滤元件的工作温度的调节装置。据此电压或温度被保持在预定范围内，在此范围内，气态水和/或氢气的电离、积聚或储存被避免。电压优选降到预定限值以下。在此，传感器的工作电压优选降低±0.8/0.9V至±0.3/0.4V。通常优选在300-700℃之间的温度下操作传感器。
过滤元件优选包括温度调节器，利用其可加热和/或冷却过滤元件。在未执行制造过程时，可通过加热器来释放吸附物质，从而清洁过滤元件。可通过冷却器来调节吸附率。调节装置优选被设计用于基于传感器信号来控制或调节过滤元件的温度调节器。
优选的传感器装置包括参考传感器模块(其中该术语也可指具有参考组件的传感器)，其工作电压优选与传感器模块不同，尤其是较低电压。替代地或附加地，参考传感器模块还包括参考室(优选电位测量传感器模块)中作为气体样品的参考气体。替代地或附加地，参考传感器模块还包括参考测量电池，优选固态电池，例如由钯或氧化钯制成。本实施例优选涉及电流测量传感器模块。替代地或附加地，参考传感器模块可如此布置，使得渗入参考传感器模块的气体样品不被过滤元件过滤。替代地或附加地，参考传感器模块包括参考过滤元件，在其材料和/或其结构方面不同于过滤元件的该参考过滤元件将过滤渗入传感器模块中的气体样品。
优选的设备包括气泵。这是指可对气体加压或可移动气体的元件。由于过滤元件对气流产生流动阻力，故气体可在压力下更好地通过过滤元件移动至传感器模块。当气体流过过滤元件时，那些会使测量信号失真的成分会被滤掉。例如，可以通过惰性气体回路的过滤***来实现压力差。设备优选被如此设计，使得气体样品借助于气泵移动到传感器装置，其中优选气泵被设计用于使气体体积在设备的加工区中循环，从加工区中排出气体体积或将气体(尤其是惰性气体)引入加工区中。
优选的装置包括管道。传感器装置的传感器模块布置在该管道中，使得流过该管道的气体作为用于测量的气体样品。过滤元件优选如此布置在管道中，即流经管道的气体在到达传感器模块之前被过滤。
优选的设备包括通过管道连接到加工室的空气循环***。该空气循环***可包括气泵，气泵可***作以使得一定的气体体积从加工室中排出并且惰性气体被引入加工室中。在连接空气循环***与加工室的管道进口和/或出口处，可设置进气阀和/或出气阀，以实现和/或促进气体排出和/或供给。空气循环***可选地包括过滤设施(其不应与传感器装置的过滤元件混淆)，其可清洁从加工室排出的气体体积。在优选实施例中，传感器装置位于连接空气循环***与加工室的管道中，并且过滤元件设置在该管道中，使得流经管道的气体在到达传感器模块之前被过滤。替选地传感器装置位于管道的进口和/或出口附近。
在优选的测量方法中，基于传感器信号调节气流。尤其是当传感器信号高于预定阈值或低于预定阈值时，气流加强。替代地或附加地，优选基于传感器信号来执行设备的构造过程。例如当氧气浓度太高时，则制造过程至少被中断一段预定时间。
在优选的测量方法中，传感器模块中的氧气分压被降低到预定最低浓度以进行参考测量。这优选通过电压泵、氧气吸附器或定向净化样品气体来实现。电压泵通过在传感器模块的(铂)电极上施加例如可高于测量氧气浓度的工作电压的电压来实现，从而使电极起到氧气泵的作用(通过电离和在电场中的运动)。在此，待测气氛中的氧气通过电解质被导入。替代地或附加地，也可将施加在电极上的电压与工作电压反向，从而降低参考传感器模块中的氧气含量。
在优选的实施例中，传感器装置包括移动装置，过滤元件可通过该移动装置从静止位置移动到过滤位置，例如在传感器模块前面(和后面)。这优选基于传感器信号来完成。优选在从传感器信号导出传感器在期望范围之外测量的情况下，过滤元件将被移动到过滤位置，例如在传感器元件前面。对此还优选具有不同的过滤元件，其可基于从传感器信号导出的状态移动到过滤位置。
还优选存在具有不同过滤元件的多个传感器。
附图说明
以下将参照附图借助实施例再次对本发明进行更详细的解释。在各图中，相同组件标有相同的附图标记。附图示出:
图1为具有根据本发明的传感器装置的用于增材制造的设备的实施例的示意性局部剖视图，
图2为周围具有过滤元件的根据本发明的传感器装置的示例，
图3为具有内置过滤元件的根据本发明的传感器装置的示例，
图4为管道中的根据本发明的传感器装置的另一示例，
图5为优选的测量方法的可能处理顺序的框图。
具体实施方式
以下实施例将参考以激光烧结或激光熔融设备1为形式的用于增材制造部件的设备1进行描述，在此再次明确指出，本发明并不局限于激光烧结或激光熔融设备。因此，在下文中，在不限制一般性的前提下，将该设备简称为“激光烧结设备”1。
图1示意性地示出了该激光烧结设备1。该设备具有带室壁4的加工室3或加工区3，制造过程基本上在此中进行。在加工室3中，存在具有容器壁6的向上开口的容器5。容器5的上部开口形成各自当前工作面7。该工作面7位于容器5的开口内的区域可用于构造物体2，因此被称为构造场8。
容器5具有可沿竖直方向移动并布置在载体10上的基板11。该基板11在底部封闭容器5并因此形成其底部。基板11可以与载体10一体形成，但也可是与载体10分开成型的板并附接到载体10上或简单存储在该载体上。根据具体构造材料的类型(例如所使用的粉末)以及制造过程，可将构造台12附接到基板11上作为在其上构造物体2的构造底座。原则上，物体2也可构造在基板11本身上，然后该基板形成构造底座。
物体2的基本构造是通过首先将一层构造材料13施加到构造台12上，然后在将要形成待制造物体2的部件的点处使用激光束AL作为能量束将构造材料13选择性固化，然后借助载体10降低基板11，从而降低构造台12，并且施加新一层的构造材料13并选择性将其固化等。在图1示出的中间状态中构造在构造台12上的容器中的物体2位于工作面7下方。该物体已具有数个固化层被未固化的构造材料13包围。可使用各种材料作为构造材料13，优选为粉末，尤其是金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、沙子、填充或混合粉末或甚至糊状材料。本发明对金属构造材料13具有特别有利的效果。
新鲜构造材料15位于激光烧结设备1的存储器14中。借助可沿水平方向(双箭头)移动的涂覆机16，构造材料可以薄层形式被施加在工作面7上或施加于构造场8内。
可选在加工室3中设附加的辐射加热器17。这可用于加热所施加的构造材料13，使得用于选择性固化的辐照装置不必输入太多能量。这说明，例如借助辐射加热器17已可将一定量的基本能量引入构造材料13中，该基本能量当然仍低于构造材料13熔化或烧结所需的能量。例如可使用红外线辐射器作为辐射加热器17。
为进行选择性固化，激光烧结设备1具有辐照装置20，或具体而言具有带激光器21的曝光装置20。该激光器21产生激光束EL，该激光束首先被馈送到光束整形装置(Strahlformungseinrichtung)30(作为输入能量束EL或输入激光束EL)。如上所述，光束整形装置30可用于改变能量束的强度分布，即强度轮廓例如将高斯轮廓(Gauβprofil)叠加在顶帽轮廓(Top-Hat-Profil)上。为此目的，可以利用合适的强度分布控制数据VSD来控制光束整形装置30。
优选光束整形装置30例如最初可在输入侧具有薄膜偏振器形式的分束器，其将输入激光束EL分为两束线性偏振的部分光束。该线性偏振部分光束中的每束均可被引导至各自的光束整形元件上。该光束整形元件负责实际的光束整形。例如，它们可以是所谓的无源DOE(DOE＝衍射光学元件)，其反射式工作并通过相位和/或振幅的局部调制来改变入射部分光束的波前。相关示例如LCoS微型显示器(LCoS＝硅液晶)，其可通过相应的强度分布控制数据VSD进行控制，该数据可由以下仍将描述的激光烧结设备1的控制装置50的辐照控制接口53提供。
(输出)能量束或激光束AL可选地经光束整形装置修改后，由后续的偏转装置23(扫描仪23)偏转，以便根据曝光策略所设固化路径(即曝光路径或轨迹)在各自选择性待固化层中行进并选择性地引入能量。这表明借助扫描仪23，使能量束AL的冲击面22在构造场8上移动，其中冲击面22的当前移动矢量或移动方向(扫描方向)可在构造场8上频繁而快速地发生变化。在此，该激光束AL通过聚焦装置24以适当的方式聚焦在工作面7上。辐照装置20优选位于加工区3外部，激光束AL经由安装在加工区3顶侧室壁4上的耦合窗25导入加工区3。
例如，辐照装置20不仅可包括一个激光器，还可包括多个激光器。这些激光器可是气态或固态激光器，也可是任何其他类型激光器，例如激光二极管，特别是VCSEL(垂直腔表面发射激光器)或VECSEL(垂直外腔表面发射激光器)或一排此类激光器。在本发明中，可尤其优先使用一个或多个非偏振单模激光器，例如波长为1070纳米的3千瓦光纤激光器。
在图示实施例中，加工室3中布置有可选的、优选可移动和/或可调节的喷嘴D，可用于将气体或气体混合物局部供应至激光束AL在构造场8上的冲击面区域，从而影响目标焊接深度。
激光烧结设备1还包含检测器装置18，其适合于检测在激光束AL冲击工作面中的构造材料期间发射的加工辐射。该检测器装置18以空间分辨的方式工作，即能够检测各层的发射图像类型。优选使用在发射辐射区域中足够灵敏的图像传感器或相机18作为检测器装置18。替代地或附加地，还可使用一个或多个传感器来检测光学和/或热加工辐射，例如检测熔池在入射激光束AL作用下发出的电磁辐射的光电二极管，或用于检测发射的热辐射的温度传感器(所谓的熔池监控)。通过将用于控制激光束的坐标按时间分配给传感器信号，就有可能将本身不具有空间分辨率的传感器信号分配给坐标。在图1中，检测器装置18布置在加工室3内。然而，其也可以位于加工室3外部，然后通过加工室3中的另一个窗口检测加工辐射。
由检测器装置18检测到的信号在此可以作为加工区传感器数据集或层图像SB传输到激光烧结设备1的控制装置50，该控制装置还用于控制激光烧结设备1的各个组件以用于实现增材制造过程的整体控制。
为此目的，控制装置50包括控制单元51，该控制单元经由辐照控制接口53控制辐照装置20的组件，即在此将激光控制数据LS发送到激光器21，将强度分布控制数据VSD发送到光束整形装置30，将扫描控制数据SD发送到偏转装置23，并将聚焦控制数据FS发送到聚焦装置24。该数据整体可以被称为曝光控制数据BSD。
控制单元51还利用适当的加热控制数据HS控制辐射加热器17，利用涂覆控制数据ST控制涂覆机16，利用载体控制数据TSD控制载体10的移动，从而控制层厚。此外其还借助喷嘴控制数据DS控制喷嘴D。
此外，控制装置50在此具有质量数据确定装置52，其接收加工区传感器数据集SB并基于该数据确定质量数据QD，该质量数据例如可传输至控制单元51以便能够以调节方式干预增材制造过程。
控制装置50在此例如通过总线60或其他数据连接方式与带有显示屏或类似设备的终端61耦联。通过该终端，操作员可控制控制装置50，从而控制整个激光烧结设备1，例如通过传输过程控制数据PSD。
在本示例中，根据本发明的传感器装置9布置在加工区3右上角，用于测量加工区3中的氧气浓度。如上所述，加工区3中的氧浓度可能会因加工区3的气体供给***中的泄漏或因能量束AL对构造材料13中湿气的裂解而增加，或因保护气体的供应而波动。传感器装置9的结构将在下文中详细介绍。
在本示例中，传感器装置9还包括调节装置94，其被设计用于调节传感器模块90的工作电压和/或工作温度和/或过滤元件F的工作温度，从而避免气态水的电离、积聚或储存。
图2示出根据本发明的传感器装置9的示例，其周围具有过滤元件F可用于根据图1的设备1。传感器装置9包括位于外部的透气传感器壳体90(其也代表传感器模块90及其包含的组件)，该传感器壳体被盖93覆盖。传感器装置9可在该盖93上附接到加工室3的室壁4。传感器模块90的管线L可以通过室壁4上的孔向外引出。然而，盖93也可以稍长设计并设置有螺纹，使得传感器模块90可以从外部穿过室壁4中的孔***并在此旋入其中。
在本示例中，传感器模块90(或传感器壳体90)除盖93之外的所有侧面均被过滤元件F包围，因此作为气体样品P(参见图5)进入传感器模块90的气体会被过滤。过滤元件F具有选择性，仅滤除气态水。此外也可滤掉氢气。
传感器模块90的功能组件布置在传感器壳体90内。它们是与固体电解质E(例如二氧化锆)分离的阳极A和阴极K，以及用于加热布置有阴极K的内室91的加热器H。该功能结构对应现有技术并且由两个固定元件92(例如玻璃棉)固定。电极A、K处的电压或电流经由管线L引至外部，在那里它们可被进一步处理。加热器H还具有两条用于能量供应的管线，为清楚起见未示出。
虽然在图2中过滤元件F包围整个传感器装置，但其也可仅包围传感器模块的一部分。
尽管图2中的过滤元件F与传感器模块90直接接触，但是其也可以至少部分与传感器模块90接触。过滤元件F和传感器模块90也可以不接触。过滤元件F还可以足够靠近传感器模块90，以便在过滤元件的作用下将可能使传感器模块90信号失真的气体成分浓度保持得足够低。
图3示出具有内置过滤元件F的根据本发明的传感器装置9的示例。这里仅示出了具有内室91、阳极A、固体电解质E和阴极K的功能结构。过滤元件F此处布置在固体电解质E上并且优选滤除氢氧根离子。
图4示出了管道R中的根据本发明的传感器装置9的另一示例。传感器模块90可假定为图2中所示的传感器模块90(图2中传感器装置9周围无过滤元件F)。过滤元件F在此布置在管道R中，并且流过(箭头)管道R的气体在其到达传感器模块90之前必须首先穿过过滤元件F。在实施例中，管道R连接至气泵。在气泵的帮助下，可通过管道R对气体加压，或者可通过管道R移动气体。由于过滤元件F对气流产生流动阻力，气体可在压力下更好地通过过滤元件F移动到传感器模块90。当气体流经过滤元件F时，那些会使测量信号失真的成分被滤除。与管道R连接的气泵可被设计用于使气体体积在设备的加工区中循环，通过管道R从加工区排出气体体积或通过管道R向加工区引入气体，特别是惰性气体。过滤元件F和传感器模块90优选布置在管道R中，其中使用气泵通过管道R从加工区排出气体体积。为此传感器模块90和过滤元件F如此布置方式，使得排出的气体体积首先作用在过滤元件上，然后渗入到传感器模块中。当气体流经过滤元件F时，那些会使测量信号失真的成分被滤除。
在另一实施例中，管道R将加工室与空气循环***连接。与管道R连接的空气循环***可以被设计(优选地借助气泵)用于通过管道R从加工区排出气体体积，或者将气体、特别是惰性气体通过管道R引入到加工区中。过滤元件F和传感器模块90优选布置在管道R中，其中气体体积通过管道R从加工区排出。故此传感器模块90和过滤元件F如此布置，使得排出的气体体积首先作用在过滤元件上，然后渗透到传感器模块中。当气体流经过滤元件F时，那些会使测量信号失真的成分被滤除。
图5示出在例如图1所示的设备1中使用例如前几幅图中所示的传感器装置9的优选测量方法的可能过程顺序框图。
在步骤一中，设备1的加工区3中产生气流，使得气体样品P通过气流到达传感器模块90。
在步骤二中，传感器装置9的传感器模块90生成传感器信号S。
在步骤三中，传感器信号S用于控制或调节设备1，其中例如基于传感器信号S调节加工室3中的气流，以便当传感器信号S上升超过预定阈值时增强气流。
该过程不断重复，如向后箭头所示。
最后，需再次指出，上文详细描述的设备仅为实施例，本领域技术人员在不脱离本发明范围的情况下可以各种方式对其进行修改。此外，使用不定冠词“一个(ein)”或“一个(eine)”并不排除有关特征可能不止一次出现的可能性。同样，术语“单元”一词也不排除由多个相互作用的子组件形成的可能性，这些子组件也可在空间上分布。
附图列表
1、增材制造设备/激光烧结设备
2、部件/物体
3、加工区/加工室
4、室壁
5、容器
6、容器壁
7、工作面
8、构造场
9、传感器装置
10、载体
11、基板
12、构造台
13、构造材料(在容器5中)
14、存储器
15、构造材料(在存储器14中)
16、涂覆机
17、辐射加热器
18、检测器装置/相机
20、辐照装置/曝光装置
21、激光器
22、冲击面(激光束)
23、偏转装置/扫描仪
24、聚焦装置
25、耦合窗
30、光束整形装置
50、控制装置
51、控制单元
52、质量数据确定装置
53、辐照控制接口
60、总线；61、终端
90、传感器模块/传感器壳体
91、内室
92、固定元件
93、盖
94、调节装置
A、阳极
AL、(输出)能量束/激光束
BSD、控制数据/曝光控制数据
D、喷嘴
DS、喷嘴控制数据
E、固体电解质
EL、(输入)能量束/激光束
F、过滤元件
FS、聚焦控制数据
H、加热器
HS、加热控制数据
K、阴极
LS、激光控制数据
P、气体样品
PSD、过程控制数据
QD、质量数据
R、管道
S、传感器信号
SB、加工区传感器数据集/层图像
SD、扫描控制数据
Sl、层信息
SM、填充-段/条纹
ST、涂覆控制数据
TSD、载体控制数据
VSD、强度分布控制数据。

Claims (15)

1.用于在制造过程中增材制造部件(2)的设备(1)的传感器装置(9)，其中，优选包括金属粉末的构造材料(13)在加工区(3)中的构造场(8)上通过利用至少一种能量束(AL)对所述构造材料(13)的辐照而被固化，所述传感器装置(9)包括：
-传感器模块(90)，被设计用于检测渗入所述传感器模块(90)的气体样品(P)中的氧分子，并基于氧分子的量生成电的传感器信号(S)，
-选择性过滤元件(F)，被设计用于过滤所述气体样品(P)，使得至少氢分子和/或氢离子和/或水分子和/或氢氧根离子从所述气体样品(P)中滤出。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述过滤元件(F)包括分子筛和/或吸附剂，特别沸石或活性炭，所述气体样品(P)在其渗入所述传感器模块(90)之前被引导通过该分子筛和/或吸附剂，或者铂层，所述气体样品(P)在其渗入所述传感器模块(90)之前被引导经过该铂层。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述传感器模块(90)具有阳极(A)和阴极(K)，尤其是电流传感器或电位传感器，
其中，优选在所述阳极(A)和所述阴极(K)之间的所述传感器装置(9)包含固体电解质(E)，尤其二氧化锆，并且所述过滤元件(F)布置在所述固体电解质(E)之中或之上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述过滤元件(F)布置成在所述气体样品(P)渗入所述传感器模块(90)之前对其进行过滤，并且优选该过滤元件至少部分包围所述传感器模块(90)或至少其电极(A，K)或该过滤元件布置成使可在通向所述传感器模块(90)的气体供给***中过滤所述气体样品(P)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述过滤元件(F)由所述传感器模块(90)的电极(A，K)形成，其中，所述电极(A，K)的电极材料如此选择，使得气态水转化为氢离子和氢氧化物和/或氢分子转化为氢离子和/或气态水的吸附和/或氢的吸附被抑制。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，包括调节装置(94)，其被设计成调节所述传感器模块(90)的工作电压和/或工作温度和/或所述过滤器元件(F)的工作温度，特别是以避免气态水的电离、积聚或储存的方式，其中，优选将电压降到预定限值以下。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，包括参考传感器模块，其
-与所述传感器模块(90)的工作电压不同，和/或
-包括参考室中作为所述气体样品(P)的参考气体，和/或
-包括参考测量电池，优选钯/氧化钯固态电池，和/或
-具有与所述传感器模块(90)不同的电极和/或
-布置成使渗入所述参考传感器模块中的所述气体样品(P)不被所述过滤元件(F)过滤，和/或
-在其材料和/或其结构方面与所述过滤元件(F)不同的参考过滤元件过滤渗入所述传感器模块(90)中的所述气体样品(P)。
8.用于在制造过程中增材制造部件(2)的设备(1)，其中，优选包括金属粉末的构造材料(13)在加工区(3)中的构造场(8)上通过利用至少一种能量束(AL)对所述构造材料(13)的辐照而被固化，所述设备(1)包括：
-用于将所述构造材料(13)的材料层施加到所述构造场(8)的供给装置，
-用于在两个材料层的施加之间通过利用至少一种能量束(AL)的辐照选择性固化所述构造材料(13)的辐照装置(20)，以及
-根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置(9)。
9.根据权利要求8所述的设备，包括气泵，其中，所述设备(1)被如此设计，使得所述气体样品(P)通过所述气泵移至所述传感器装置(9)，其中，优选所述气泵被设计用于在设备加工区(3)中循环气体体积、从所述加工区(3)中排出气体体积或将气体，尤其是惰性气体，引入所述加工区(3)。
10.根据权利要求8或9所述的装置，包括管道(R)，其中，所述传感器装置(9)的传感器模块(90)布置在所述管道(R)中，使得流经所述管道(R)的气体作为用于测量的所述气体样品(P)，其中，所述过滤元件(F)优选如此布置在所述管道(R)中，使得流经所述管道(R)的气体在到达所述传感器模块(90)之前被过滤。
11.利用权利要求8至10中任一项所述的设备(1)中的根据权利要求1至7中任一项所述的传感器装置(9)的测量方法，包括以下步骤：
-在所述设备(1)的所述加工区(3)中产生气流，使得气体样品(P)通过气流到达所述传感器模块(90)，
-通过所述传感器装置(9)的所述传感器模块(90)生成传感器信号(S)，
-可选：使用所述传感器信号(S)来控制或调节所述设备(1)。
12.根据权利要求11所述的测量方法，其中基于所述传感器信号(S)来调节所述制造过程和/或所述气流，其中，尤其当所述传感器信号(S)升到预定阈值以上或降到预定阈值以下时，所述气流被加强，或者其中优选所述设备(1)的制造过程基于所述传感器信号(S)进行。
13.根据权利要求11或12所述的测量方法，其中为便于进行参考测量，所述传感器模块(90)中的氧气分压被降到预定最低浓度，优选通过电压泵、氧气吸附器或定向净化样品气体来实现。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的测量方法，其中所述过滤元件(F)包括温度调节器，利用其可加热和/或冷却所述过滤元件(F)，其中，所述温度调节器基于所述传感器信号(S)进行控制或调节。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的测量方法，其中，所述传感器装置(9)包括移动装置，借此所述过滤元件(F)能够从静止位置移动到过滤位置，其中该移动基于传感器信号进行，优选在从传感器信号导出传感器在期望范围之外测量的情况下，其中，优选具有不同的过滤元件，其可基于从传感器信号导出的状态移动到所述过滤位置。
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