DE102018127678A1

DE102018127678A1 - Verfahren und Systeme zum Qualitätsrückschluss und zur Qualitätskontrolle bei additiven Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102018127678A1
Application number: DE102018127678.8A
Authority: DE
Inventors: Lars Jacquemetton; Vivek R. Dave; Mark J. Cola; Glenn Wikle; R. Bruce Madigan
Original assignee: Sigma Labs Inc
Current assignee: Sigma Additive Solutions Inc
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2019-05-09
Also published as: US20190134754A1; US20230127650A1; US11517984B2

Abstract

In dieser Offenbarung wird ein additives Herstellungsverfahren beschrieben, das ein Überwachen der Temperatur eines Abschnitts einer Aufbauebene während eines additiven Fertigungsvorgags unter Verwendung eines Temperatursensors, während eine Wärmequelle den Abschnitt der Aufbauebene durchläuft, ein Erfassen einer Peaktemperatur, die mit einem oder mehreren Durchgängen der Wärmequelle durch den Abschnitt der Aufbauebene verknüpft ist, ein Bestimmen einer Grenztemperatur durch Reduzieren der Peaktemperatur um einen vorgegebenen Betrag, ein Ermitteln eines Zeitintervalls, in dem die überwachte Temperatur die Grenztemperatur überschreitet, ein Identifizieren einer Änderung der Herstellungsbedingungen, die wahrscheinlich zu einem Fertigungsfehler führen wird, unter Verwendung des Zeitintervalls und ein Ändern eines Prozessparameters der Wärmequelle als Reaktion auf die Änderung der Herstellungsbedingungen umfasst.

Description

QUERVERWEIS AUF IN BEZUG GENOMMENE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldungen Nr. 62/582,792, die am 7. November 2017 eingereicht wurde, 62/633,487, die am 21. Februar 2018 eingereicht wurde, und 62/643,457 , die am 15. März 2018 eingereicht wurde, wobei auf deren Offenbarungen hier in ihrer Gesamtheit und für alle Zwecke Bezug genommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die additive Fertigung bzw. der sequentielle Aufbau oder das sequentielle Erstellen eines Teils durch eine Kombination aus Materialzugabe und Energiezufuhr kann unterschiedliche Formen annehmen, wobei gegenwärtig viele konkrete Implementationen und Ausführungsformen existieren. Die additive Fertigung kann unter Verwendung eines beliebigen von mehreren verschiedenen Verfahren erfolgen, die sich auf die Ausbildung eines dreidimensionalen Teils in nahezu beliebiger Form beziehen. Die verschiedenen Verfahren umfassen das schichtweise Sintern eines flüssigen Materials unter Verwendung von ultraviolettem Licht, das schichtweise Aushärten eines pulverförmigen Materials unter Verwendung eines Hochleistungslasers, oder das schichtweise Aufschmelzen eines granularen Rohmaterials unter Verwendung eines Elektronenstrahls. Leider weisen die etablierten Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines auf diese Weise hergestellten Teils Beschränkungen auf. Herkömmliche Qualitätssicherungsprüfungen sind in der Regel mit einer Zerstörung des Teils nach der Fertigung verbunden. Während die zerstörende Prüfung, da sie eine genaue Überprüfung verschiedener Bereiche im Inneren des Teils ermöglicht, eine anerkannte Art der Prüfung der Qualität eines Teils darstellt, lässt sich bei einem Produktionsteil eine solche Prüfung aus offensichtlichen Gründen nicht einsetzen. Daher besteht ein Bedarf an Verfahren und Systemen zur zerstörungsfreien Überprüfung der Integrität eines additiv gefertigten Teils.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf eine große Untergruppe der additiven Fertigung, bei der eine Energiequelle verwendet wird, die in Form einer sich bewegenden Zone intensiver Wärmeenergie vorliegt. Für den Fall, dass die Wärmeenergie zu einem physikalischen Schmelzen des zugegebenen Materials führt, werden diese Prozesse allgemein als Schweißverfahren bezeichnet. Bei Schweißverfahren wird das Material, das schrittweise und fortlaufend zugegeben wird, von der Energiequelle ähnlich wie bei einer Schmelzschweißung geschmolzen.
Wenn das zugegebene Material die Form von Pulverschichten aufweist, schmilzt die Wärmequelle, nachdem zu dem herzustellenden Teil jeweils eine Pulvermaterialschicht schrittweise zugegeben wurde, das schrittweise zugegebene Pulver durch Schweißen von Bereichen der Pulverschicht, wobei eine sich bewegende Schmelzzone geschaffen wird, die nachstehend als Schweißbad bezeichnet wird, sodass sie nach der Verfestigung Teil der zuvor schrittweise zugegebenen und geschmolzenen und verfestigten Schichten unterhalb der neuen Schicht werden, die Bestandteil des hergestellten Teils sind. Da additive Bearbeitungsprozesse langwierig sein können und eine beliebig Anzahl von Schweißbaddurchläufen umfassen, kann es bei Verwendung des Schweißbades zur Verfestigung des Teils schwierig sein, wenigstens geringfügige Schwankungen in der Größe und Temperatur des Schweißbades zu vermeiden. Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund der hohen Verfahrgeschwindigkeiten des Heizelements und der komplexen Muster, die zur Bildung einer dreidimensionalen Struktur erforderlich sind, additive Fertigungsprozesse typischerweise von einem oder mehreren Prozessoren gesteuert werden, die mit einer computergestützten numerischen Steuerung (CNC) verbunden sind.
Eine übergeordnete Aufgabe der beschriebenen Ausführungsformen besteht darin, optische Abtasttechniken wie z. B. Qualitätsrückschluss, Prozesskontrolle oder beides auf additive Fertigungsprozesse anzuwenden. Optische Sensoren können verwendet werden, um die Entwicklung physikalischer Phänomene bei der Fertigung zu verfolgen, indem die Entwicklung der zugehörigen physikalischen Prozessvariablen verfolgt werden. Optisch kann dabei den Teil des elektromagnetischen Spektrums umfassen, der das nahe Infrarot (IR), den sichtbaren Bereich und das nahe Ultraviolett (UV) umfasst. Im Allgemeinen wird angenommen, dass sich das optische Spektrum, das auch als sichtbares Spektrum bezeichnet wird, über den Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm erstreckt. Allerdings könnten sich nahes UV und IR über einen Wellenlängenbereich bis herunter zu 1 nm bzw. bis hinauf zu 3000 nm erstrecken. Die von optischen Sensoren gesammelten Sensormesswerte können zur Bestimmung von Prozessqualitätsmetriken (In Process Quality Metrics, IPQMs) verwendet werden. Die Halbwertsbreite (Half Power Bandwidth, HPBW), die auf mit Hilfe eines Pyrometer oder einer Photodiode erfassten thermischen Daten basiert, stellt eine solche IPQM dar.
Bei der HPBW handelt es sich um eine Metrik, die auf Änderungen der benutzerdefinierten Laserpulverbettschmelzprozessparameter wie Strahlungsleistung, Strahlverfahrgeschwindigkeit, Bahnabstand und dergleichen reagiert. Mit der HPBW kann die Position des Sichtfeldes eines Pyrometers in Bezug auf das Laserscanmuster und die Bahngröße bestimmt werden. Die HPBW kann zur Analyse anhand eines IPQM-Vergleichs mit einem Basisdatensatz verwendet werden. Die resultierende IPQM kann für jeden Scan berechnet und angezeigt werden. IPQM-Vergleiche mit dem Basisdatensatz können auf Fertigungsfehler hinweisen und zur Erzeugung von Steuersignalen für Prozessparameter verwendet werden. Mit der HPBW lässt sich das korrekte thermische Profil aus den vom Pyrometer erfassten Daten genauer abschätzen.
Es wird ein additives Herstellungsverfahren offenbart, das Folgendes umfasst: Überwachen der Temperatur eines Abschnitts einer Aufbauebene während eines additiven Fertigungsvorgags unter Verwendung eines Temperatursensors, während eine Wärmequelle den Abschnitt der Aufbauebene durchläuft. Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen einer Peaktemperatur, die mit einem oder mehreren Durchgängen der Wärmequelle durch den Abschnitt der Aufbauebene verknüpft ist, und das Bestimmen einer Grenztemperatur durch Reduzieren der Peaktemperatur um einen vorgegebenen Betrag. Das Verfahren verwendet die Grenztemperatur, um ein Zeitintervall zu ermitteln, in dem die überwachte Temperatur die Grenztemperatur überschreitet, und identifiziert anhand des Zeitintervalls eine Änderung der Herstellungsbedingungen, die zu einem Fertigungsfehler führen kann. Als Reaktion auf die Änderung der Herstellungsbedingungen ändert das Verfahren einen oder mehrere Prozessparameter, die der Wärmequelle zugeordnet sind.
Es wird ein additives Herstellungsverfahren offenbart, das Folgendes umfasst: Durchführen eines additiven Fertigungsvorgangs unter Verwendung einer Energiequelle und Empfangen von Spannungsdaten, die mit einer stationären Photodiode verknüpft sind, während eines Scans der Energiequelle über einen Abschnitt eines Pulverbettes zum Erzeugen eines Teils. Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen einer Peakspannung, die mit einem oder mehreren Durchgängen der Energiequelle durch den Abschnitt des Pulverbettes verknüpft ist, und das Bestimmen einer Grenzspannung durch Reduzieren der Peakspannung um einen vorgegebenen Betrag. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln eines Zeitintervalls, in dem die Spannungsdaten die Grenzspannung überschreiten, und das Identifizieren einer Änderung der Herstellungsbedingungen, die zu einem Fertigungsfehler führen kann, anhand des Zeitintervalls. Das Verfahren ändert einen Prozessparameter der Energiequelle als Reaktion auf die Änderung der Herstell ungs bedingungen.
Figurenliste
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Strukturelemente bezeichnen, trägt zum leichten Verständnis der Offenbarung bei, wobei:

1A eine schematische Darstellung eines Systems mit einer starken Wärmequelle zeigt, in diesem konkreten Fall einem Laserstrahl,
1B eine schematische Darstellung eines Systems mit einer starken Wärmequelle zeigt, in diesem konkreten Fall einem Elektronenstrahl,
2A ein Beispiel für das Sichtfeld eines Pyrometers, das als Eulerscher Sensor eingerichtet ist,
2B schematisch das Sichtfeld des Pyrometers und die Bahn des thermisch betroffenen und geschmolzenen Materials zeigt, die durch die sich bewegende Wärmequelle gebildet wird,
2C ein Beispiel für ein Scanmuster zeigt, das von einer Wärmequelle durchlaufen werden kann,
2D - 2E verschiedene alternative Scanmuster zeigen,
3A die Rohdaten eines feststehenden (Eulerschen) Pyrometers zeigt, wenn mehrere Scans einer Wärmequelle durch das Sichtfeld verlaufen;
3B die Testergebnisse einer feststehenden (Eulerschen) Photodiode zeigt, wenn mehrere Scans einer Wärmequelle durch das Sichtfeld verlaufen,
3C die Testergebnisse eines feststehenden (Eulerschen) Pyrometers zeigt, wenn mehrere Scans einer Wärmequelle durch das Sichtfeld verlaufen,
4 eine Teilmenge des Temperaturprofils zeigt, das von einem feststehenden Pyrometer erzeugt wird und mit Prozessqualitätsmetriken verknüpft ist,
5 ein Peaktemperaturprofil des feststehenden Pyrometers und die Parameter zur Bestimmung einer Halbwertsbreite zeigt,
6 ein Temperaturprofil zeigt, das zur Berechnung einer mittleren Halbwertsbreite anhand von mehr als einer Peaktemperatur verwendet wird,
7A ein Wärmequellenscanmuster und den Abschnitt zeigt, der von einem Sichtfeld eines Sensors abgedeckt ist,
7B das mit dem Sichtfeld von 7A verknüpfte Temperaturprofil zeigt,
8A ein Wärmequellenscanmuster und den Abschnitt zeigt, der von einem Sichtfeld eines Sensors abgedeckt ist,
8B das mit dem Sichtfeld von 8A verknüpfte Temperaturprofil zeigt,
9 ein Flussdiagramm für eine Prozesssteuerung auf hoher Abstraktionsebene zeigt,
10 einen Ablauf zeigt, bei dem von einem optischen Sensor, wie beispielsweise einem nicht bildgebenden Photodetektor, aufgezeichnete Daten verarbeitet werden können, um einen Aufbauvorgang einer additiven Fertigung zu charakterisieren,
11A - 11D anschauliche Darstellungen zeigen, die verdeutlichen, wie mehrere Scans zu der in einzelne Rasterbereiche eingebrachten Energie beitragen können,
12A - 12F veranschaulichen, wie ein Raster dynamisch erstellt werden kann, um einen additiven Fertigungsvorgang zu charakterisieren und zu steuern, und
13 ein Beispiel für eine geschlossene Regelschleife zeigt, die eine Rückkopplungsregelschleife zum Aufbau und zum Aufrechterhalten einer Rückkopplungsregelung eines additiven Fertigungsvorgangs aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG KONKRETER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1A zeigt eine Ausführungsform eines additiven Fertigungssystems, bei dem eine oder mehrere optische Sensorvorrichtungen zum Bestimmen der Halbwertsbreite (HPBW) verwendet werden. Die HPBW reagiert auf Änderungen der Prozessparameter wie z. B. Leistung der Energiequelle, Geschwindigkeit der Energiequelle und Bahnabstand. Bei dem additiven Fertigungssystem von 1A wird als Energiequelle ein Laser 100 verwendet. Der Laser 100 emittiert einen Laserstrahl 101, der durch einen teilreflektierenden Spiegel 102 hindurchgeht und in ein Ablenk- und Fokussiersystem 103 eintritt, das den Strahl dann auf einen kleinen Bereich, den Strahlinteraktionsbereich 104, auf einer Arbeitsbühne 105 projiziert. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Arbeitsbühne ein Pulverbett. Aufgrund der hohen Materialtemperaturen emittiert der Strahlinteraktionsbereich 104 optische Energie 106.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Ablenk- und Fokussiersystem 103 zum Erfassen eines Teils der optischen Energie 106, die vom Strahlinteraktionsbereich 104 emittiert wird, ausgebildet sein. Der teilreflektierende Spiegel 102 kann die als optisches Signal 107 dargestellte optische Energie 106 reflektieren. Das optische Signal 107 kann von mehreren optischen Sensoren 109 abgefragt werden, die jeweils einen Teil des optischen Signals 107 über eine Reihe weiterer teilreflektierender Spiegel 108 empfangen. Es wird darauf hingewiesen, dass das additive Fertigungssystem bei einigen Ausführungsformen nur einen optischen Sensor 109 mit einem voll reflektierenden Spiegel 108 aufweisen kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass das erfasste optische Signal 107 möglicherweise nicht den gleichen Spektralgehalt wie die aus dem Strahlinteraktionsbereich 104 emittierte optische Energie 106 aufweist, da das Signal 107 nach dem Durchlaufen mehrerer optischer Elemente wie beispielsweise 103, 102 und 108 eine gewisse Dämpfung erfahren hat. Die optischen Elemente können jeweils ihre eigenen Transmissions- und Absorptionseigenschaften aufweisen, was zu uneinheitlichen Dämpfungen führt, wodurch bestimmte Teile des von dem Strahlinteraktionsbereich 104 abgestrahlten Energiespektrums begrenzt werden. Die von den optischen Sensoren 109 erzeugten Daten können einer Energiemenge entsprechen, die auf die Arbeitsbühne übertragen wurde.
Beispiele für optische Sensoren 109 umfassen Wandler zum Umwandeln von optischen in elektrische Signale wie Pyrometer und Photodioden, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die optischen Sensoren können auch Spektrometer und Kameras mit niedriger oder hoher Geschwindigkeit umfassen, die im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Frequenzspektrum arbeiten. Die Sensoren 109 befinden sich in einem Bezugssystem, das sich mit dem Strahl bewegt, d. h. sie sehen alle Bereiche, auf die der Laserstrahl gerichtet ist, und sind in der Lage, optische Signale 107 aus allen Bereichen der Arbeitsbühne 105 zu erfassen, auf die der Laserstrahl 101 auftrifft. Da die vom Ablenk- und Fokussiersystem 103 erfasste optische Energie 106 einen Weg zurücklegt, der nahezu parallel zum Laserstrahl verläuft, können die Sensoren 109 als axiale Sensoren angesehen werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann das additive Fertigungssystem einen ersten stationären Sensor 110 und einen zweiten stationären Sensor 124 umfassen, die sich in Bezug auf den Laserstrahl 101 in einem stationären Bezugssystem befinden. Stationäre Sensoren können als Eulersche Sensoren angesehen werden. Der erste stationäre Sensor 110 kann ein bestimmtes erstes Sichtfeld 111 aufweisen, das sehr eng sein kann und nur einen Teil der Arbeitsbühne 105 abdeckt. Der zweite stationäre Sensor 124 kann ein bestimmtes zweites Sichtfeld 126 aufweisen, das einen größeren Bereich einschließen kann als das erste Sichtfeld 111. Das zweite Sichtfeld 126 kann einen Bereich mit einer Größe bis zur gesamten Arbeitsbühne 105 umspannen.
Beispiele für den ersten stationären Sensor 110 und den zweiten stationären Sensor 124 können Pyrometer, Photodioden, Spektrometer, Hochgeschwindigkeits- oder Niedriggeschwindigkeitskameras im sichtbaren, ultravioletten oder IR-Spektralbereich usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen kann es sich bei den Sensoren um Temperatursensoren handeln, die Spannungs- oder Stromrohdaten verarbeiten und Temperaturdaten ausgeben. Der erste stationäre Sensor 110 und der zweite stationäre Sensor 124 sind nicht mit der Energiequelle ausgerichtet und können als nichtaxiale Sensoren angesehen werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der zweite stationäre Sensor 124, der das zweite Sichtfeld 126 aufweist, so ausgebildet sein, dass Temperaturänderungen in im Wesentlichen jedem Bereich der Oberseite der Arbeitsbühne 105 erfasst werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der erste stationäre Sensor 110 so ausgebildet sein, dass er den zweiten stationären Sensor 124 mit Kalibrierungsinformationen versorgt, wodurch der zweite stationäre Sensor 124 die Temperatur eines beliebigen Punktes auf der Oberseite der Arbeitsbühne 105 genau erkennen kann. Eine zusätzliche Beschreibung der Sensorkalibrierung ist in der am 18. November 2015 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/945,247 enthalten, auf deren Offenbarung hiermit in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Bei den Sensoren könnte es sich auch um Sensoren handeln, die mehrere physikalische Messmodalitäten kombinieren, wie beispielsweise einen Laser-Ultraschall-Sensor, der die Abscheidung mit einem Laserstrahl aktiv anregen oder „pingen“ kann und die resultierenden Ultraschallwellen bzw. „Schwingung“ der Struktur anschließend mit einem Laserinterferometer misst, um mechanische Eigenschaften oder die mechanische Integrität der Abscheidung während des Aufbaus zu messen oder vorherzusagen. Mit dem Laser-Ultraschall-Sensor/Interferometer-System können die elastischen Eigenschaften des Materials gemessen werden, die beispielsweise Aufschluss über die Porosität des Materials und andere Materialeigenschaften geben können. Außerdem kann mit dem Laser-Ultraschall-Sensor/Interferometer-System die Ausbildung von Defekten gemessen werden, die zu Materialschwingungen führen. Bei einigen Ausführungsformen kann die HPBW anhand einer beobachteten Temperatur bestimmt werden, die aus Pyrometerdaten erzeugt wird, die von dem ersten stationären Sensor 110 und dem zweiten stationären Sensor 124 erfasst werden.
Ferner kann die das Pulver verteilende mechanische Vorrichtung, der Wiederbeschichtungsarm 112, Kontaktsensoren 113 aufweisen. Bei diesen Sensoren kann es sich um Beschleunigungssensoren, Vibrationssensoren usw. handeln. Schließlich können auch andere Arten von Sensoren 114 vorhanden sein. Dazu können Kontaktsensoren wie Thermoelemente zur Messung von makrothermischen Feldern oder Schallemissionssensoren gehören, die während des Aufbaus Risse und andere metallurgische Phänomene in der Abscheidung erkennen können. Die Kontaktsensoren können während des Pulverauftrags eingesetzt werden, um den Betrieb des Wiederbeschichtungsarms 112 zu charakterisieren. Die von den optischen Sensoren 109 und den stationären Sensoren 110 erfassten Daten können verwendet werden, um Prozessparameter zu erfassen, die mit dem Wiederbeschichtungsarm 112 verknüpft sind. Dementsprechend können Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche des aufgetragenen Pulvers erkannt und vom System behandelt werden. Raue Oberflächen, die durch Veränderungen im Pulverbeschichtungsprozess entstehen, können durch Kontaktsensoren 113 charakterisiert werden, um mögliche Problemstellen oder Unregelmäßigkeiten in dem resultierenden Teil zu antizipieren.
Bei einigen Ausführungsformen kann mit dem Laserstrahl 101 eine Erhebung in dem Pulverauftrag geschmolzen werden, sodass die nachfolgende Pulverschicht eine sich damit deckende Erhebung aufweist. Irgendwann kann die Erhebung den Wiederbeschichtungsarm 112 berühren, wodurch der Wiederbeschichtungsarm 112 beschädigen werden könnte und woraus sich eine zusätzliche Ungleichförmigkeit des aufgebrachten Pulvers ergeben kann. Dementsprechend können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Ungleichmäßigkeiten in dem aufgebrachten Pulver erfassen, bevor sie zu Ungleichmäßigkeiten im Aufbaubereich auf der Arbeitsbühne 105 führen. Dem Durchschnittsfachmann sind viele Variationen, Modifikationen und Alternativen geläufig.
Bei einigen Ausführungsformen können die optischen Sensoren 109, die stationären Sensoren 110, die Kontaktsensoren 113 und andere Sensoren 114 zum Erzeugen von Rohdaten während des Prozesses ausgebildet sein. Bei weiteren Ausführungsformen können die optischen Sensoren 109, die stationären Sensoren 110, die Kontaktsensoren 113 und andere Sensoren 114 zum Verarbeiten der Daten und zum Erzeugen von Sensordaten reduzierter Ordnung ausgebildet sein.
Bei einigen Ausführungsformen ist ein Computer 116 mit einem Prozessor 118, einem computerlesbaren Medium 120 und einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 122 vorgesehen und mit geeigneten Systemkomponenten des additiven Fertigungssystems gekoppelt, um Daten von den verschiedenen Sensoren zu sammeln. Die vom Computer 116 empfangenen Daten können Prozessrohdaten von Sensoren und/oder Sensordaten reduzierter Ordnung umfassen. Der Prozessor 118 kann Prozessrohdaten von Sensoren und/oder Sensordaten reduzierter Ordnung verwenden, um die Leistung des Lasers 100 und Steuerinformationen zu bestimmen, einschließlich von auf die Arbeitsbühne 105 bezogenen Koordinaten. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Computer 116, der den Prozessor 118, das computerlesbare Medium 120 und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 122 umfasst, die Steuerung der verschiedenen Systemkomponenten ermöglichen. Der Computer 116 kann Steuerinformationen senden, empfangen und überwachen, die mit dem Laser 100, der Arbeitsbühne 105 und dem Wiederbeschichtungsarm 112 verknüpft sind, um die jeweiligen Prozessparameter für jede Komponente zu steuern und einzustellen.
Der Prozessor 118 kann verwendet werden, um zum Generieren von Prozessqualitätsmetriken Berechnungen unter Verwendung der von den verschiedenen Sensoren erfassten Daten durchzuführen. Bei einigen Ausführungsformen können die von den stationären Sensoren 110 erzeugten Daten zur Bestimmung der HPBW während des Aufbauprozesses verwendet werden. Steuerinformationen, die mit der Bewegung der Wärmequelle über die Aufbauebene verknüpft sind, können vom Prozessor empfangen werden. Der Prozessor kann dann anhand der Steuerinformationen Daten von stationären Sensoren 110 mit einer entsprechenden Position der Wärmequelle korrelieren. Die korrelierten Daten können dann mit der HPBW kombiniert werden, um Änderungen der Prozessparameter zu ermitteln. Bei einigen Ausführungsformen können die HPBW und/oder andere Metriken vom Prozessor 118 verwendet werden, um Steuersignale für Prozessparameter, beispielsweise Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Bahnabstand und andere Prozessparameter, in Reaktion auf die HPBW oder andere Metriken, die außerhalb der gewünschten Bereiche liegen, zu erzeugen. Auf diese Weise kann ein Problem behoben werden, das ansonsten zur Produktion eines Ausschussteils führen würde. Bei Ausführungsformen, bei denen mehrere Teile gleichzeitig erzeugt werden, können rechtzeitige Korrekturen der Prozessparameter als Reaktion auf sich außerhalb der gewünschten Bereiche befindende Metriken verhindern, dass benachbarte Teile von der Wärmequelle zu viel oder zu wenig Energie erhalten.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 122 zum Übertragen von erfassten Daten an einen anderen Standort ausgebildet sein. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle kann zum Empfangen von Daten von einem anderen Standort ausgebildet sein. Die empfangenen Daten können Basisdatensätze, historische Daten, Daten aus der Nachbearbeitung und Klassifizierungsdaten umfassen. Das andere Computersystem kann aus den vom additiven Fertigungssystem übertragenen Daten Prozessqualitätsmetriken berechnen. Das andere Computersystem kann in Reaktion auf bestimmte Prozessqualitätsmetriken Informationen an die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 122 übertragen.
Für den Fall eines Elektronenstrahlsystems zeigt 1B mögliche Konfigurationen und Anordnungen von Sensoren. Die Elektronenstrahlkanone 150 erzeugt einen Elektronenstrahl 151, der durch das elektromagnetische Fokussiersystem 152 fokussiert und dann durch das elektromagnetische Ablenksystem 153 abgelenkt wird, wodurch ein fein fokussierter und ausgerichteter Elektronenstrahl 154 erreicht wird. Der Elektronenstrahl 154 erzeugt auf dem Werkstück 156 eine heiße Strahl-Material-Wechselwirkungszone 155. Es wird optische Energie 158 emittiert, die mit einer Reihe von Sensoren erfasst werden kann, die jeweils ein eigenes Sichtfeld aufweisen, das wiederum auf die Wechselwirkungszone 155 örtlich eingegrenzt sein oder das gesamte Werkstück 156 umfassen kann. Zudem können die Sensoren 159 über ein eigenes Tracking- und Scansystem zum Verfolgen des sich über das Werkstück 156 bewegenden Elektronenstrahls 154 verfügen.
Unabhängig davon, ob die Sensoren 159 eine optische Nachführung aufweisen oder nicht, können die Sensoren 159 aus Pyrometern, Photodioden, Spektrometern und Hochgeschwindigkeits- oder Niedriggeschwindigkeitskameras bestehen, die im sichtbaren, UV- oder IR-Spektralbereich arbeiten. Bei den Sensoren 159 kann es sich auch um Sensoren handeln, die eine Reihe von physikalischen Messarten kombinieren, wie beispielsweise einen Laser-Ultraschall-Sensor, der die Abscheidung mit einem Laserstrahl aktiv anregen oder „pingen“ kann und die resultierenden Ultraschallwellen bzw. „Schwingung“ der Struktur anschließend mit einem Laserinterferometer misst, um mechanische Eigenschaften oder die mechanische Integrität der Abscheidung während des Aufbaus zu messen oder vorherzusagen. Ferner können sich an dem Wiederbeschichtungsarm Kontaktsensoren 113 befinden. Bei diesen Sensoren kann es sich um Beschleunigungssensoren, Vibrationssensoren usw. handeln. Schließlich können auch noch andere Arten von Sensoren 114 vorhanden sein. Diese können Kontaktsensoren wie Thermoelemente zur Messung von makrothermischen Feldern umfassen oder Schallemissionssensoren, die während des Aufbaus Risse und andere metallurgische Phänomene in der Abscheidung erkennen können. Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Thermoelemente verwendet werden, um die von den Sensoren 159 erfassten Temperaturdaten zu kalibrieren. Es wird darauf hingewiesen, dass die in Verbindung mit den 1A und 1B beschriebenen Sensoren in der beschriebenen Weise verwendet werden können, um die Qualität eines beliebigen additiven Herstellungsprozesses mit sequentiellem Materialaufbau zu charakterisieren.
2A zeigt ein Beispiel für ein Sichtfeld eines Pyrometers, das als Eulerscher Sensor eingerichtet ist. Der erste stationäre Sensor 110 und der zweite stationäre Sensor 126 können Pyrometer sein, die als Eulersche Sensoren konfiguriert sind. Ein Eulerscher Sensor basiert auf einem Eulerschen Bezugssystem. Ein Eulersches Bezugssystem spezifiziert die mit einem Transportphänomen verbundenen Größen, indem in bestimmten Zeitabständen Werte betrachten werden, die bestimmten Punkten im Raum zugeordnet sind. Dabei ist das Punktgitter im Raum fixiert und das Medium „fließt“ durch dieses Gitter. Dies ist vergleichbar mit einem Sitzen am Flussufer und dem Beobachten des vorbeifließenden Flusses. Bei einigen Ausführungsformen ist das Eulersche Bezugssystem ein stationäres Bezugssystem, durch das der Energiestrahl hindurchtritt.
In 2A ist das Eulersche Bezugssystem durch ein kreisförmiges Sichtfeld 200 dargestellt. Das Temperaturfeld innerhalb eines Sichtfeldes 200 kann sich ändern und es kann sowohl orts- als auch zeitabhängig sein. Jedes einzelne Flächenelement 202 trägt zu der über alle gemittelten Temperatur bei, die im Verhältnis des Anteils der Fläche an der Gesamtfläche des Sichtfeldes des Pyrometers festgestellt wird. Das kleine differentielle Flächenelement 202 ist in 2A schematisch dargestellt. Das Sichtfeld 200 kann eine Vielzahl von abstrahlenden Flächenelementen 202 umfassen. Einem von dem differentiellen Flächenelement 202 abgedeckten Bereich der Aufbauebene kann ein Zeitintervall zugeordnet werden, wenn der Scan durch den Bereich verläuft. Im Allgemeinen sind diese Flächen in einem bestimmten Radius R 204 vom Zentrum 210 und in einer bestimmten Winkelausrichtung θ 206 innerhalb des Sichtfeldes 200 des Pyrometers verteilt. Darüber hinaus kann jede einzelne Fläche 202 einen anderen von der Temperatur abhängigen Emissionsgrad aufweisen.
2B zeigt eine schematische Ansicht des Sichtfeldes 200 des Pyrometers und der Region 212 des thermisch betroffenen und geschmolzenen Materials, das durch die sich bewegende Wärmequelle erzeugt wird. Das Sichtfeld 200 des Pyrometers ist als kreisförmiges Sichtfeld mit einem Radius R 204, dargestellt. Der Bereich, der von der sich bewegenden Wärmequelle aufgeheizt und geschmolzen wird, ist als rechteckige Region 212 dargestellt, die das Pyrometersichtfeld 200 kreuzt. Im Allgemeinen variiert diese Region in Größe, Fläche und der Position, an der sie das Sichtfeld kreuzt.
Bei der Wärmequelle handelt es sich nicht um eine Sofortwärme-Quelle, d. h. sie lässt sich nicht unverzüglich einschalten und gibt auch nicht sofort eine endliche Wärmemenge ab. Vielmehr handelt es sich bei der Wärmequelle um eine sich bewegende, stetige Wärmequelle. Wenn die Wärmequelle beim Durchlaufen der aufgeheizten Bereiche durch das Sichtfeld verfahren wird, nimmt die Temperatur in verschiedenen Bereichen innerhalb des Sichtfeldes stetig zu und ab. Die aufgeheizten Bereiche entsprechen der Region 212 des thermisch betroffenen Materials. Daher ist die beobachtete Temperatur als zeitintegrierter Mittelwert des zeitabhängigen thermischen Verhaltens der - jeweils mit ihren Flächenanteilen gewichteten - heißen und kalten Zonen zu interpretieren. 2C zeigt ein Beispiel für ein Scanmuster, entlang dessen eine Wärmequelle verfahren werden kann. Wie dargestellt kann das Sichtfeld 200 einen relativ kleinen Teil des Scanmusters 216 abdecken, sodass nur das Erwärmen und Abkühlen innerhalb des Sichtfeldes 200 genau quantifiziert werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass auch andere Scanmuster denkbar sind und engere oder weitere Scanmuster umfassen können, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und unterschiedlichen Ausgangsleistungen ausgeführt werden. Die Scanrate, die Leistung und das Scanmuster haben jeweils einen Einfluss darauf, wie viel Energie während des additiven Fertigungsvorgangs abgegeben wird.
Die 2D - 2E zeigen verschiedene alternative Scanmuster. 2D zeigt, wie das Scanmuster in ein Schachbrettmuster 220 unterteilt werden kann, dessen Felder nacheinander von links nach rechts 222 und von oben nach unten 224 gescannt werden.
Die Zahlen 226 in jedem Feld 220 geben die Reihenfolge an, in der die Felder 220 des Schachbretts gescannt werden In 2E ist das gleiche Schachbrettmuster dargestellt, aber nun wird die Scanreihenfolge für die einzelnen Schachbrettfelder randomisiert. Unabhängig von dem jeweiligen Scanmuster oder der verwendeten Scanstrategie kann der laserbasierte Prozess offensichtlich kurze, diskrete Scanlängen mit einem Start und einem Stopp und einer Bahnlänge beinhalten.
Wenn ein Scanmuster, ähnlich den in den 2D oder 2E dargestellten Scanmustern, mit einer Eulerschen Photodiode wie beispielsweise dem ersten stationären Sensor 110 (siehe 1A) überwacht wird, umfassen die Daten, die zur Photodiode zurückkommen, viele Einzelsignale, die jeweils einen bestimmten speziellen Scan über eine bestimmte Weglänge repräsentieren. Bei einigen Ausführungsformen können die einzelnen Signale entsprechend ihrer Weglänge ausgesondert werden. Die scheinbare Intensität des Signals, wie sie mit der Photodiode beobachtet wird, ist eine Funktion dieser Weglänge. Denn zu Beginn des Scans ist die Photodiodenintensität Null oder sehr klein, weil der Laser gerade eingeschaltet wurde. Im Laufe des Scans erwärmt der Scan im Allgemeinen einen Teil des Pulverbettes und der aufgeheizte Teil wird zu einem Bereich aus geschmolzenem Metall, der mehr Energie in Form von Licht abgibt. Als Reaktion auf die von der Zone des geschmolzenen Metalls emittierte Energie nimmt die mit Hilfe der Photodiode gemessene Intensität zu. Wie ferner aus 2C ersichtlich ist, erreicht die Intensität im Allgemeinen einen Maximalwert, wenn sich die Energiequelle, die entlang des Scanmusters 216 geführt wird, innerhalb des Sichtfelds 200 befindet. Die höchste Temperatur kann im Allgemeinen dem Scan mit der längsten Verweilzeit im Sichtfeld 200 zugeordnet werden, wie beispielsweise dem Scan 238 von 2C. Bei anderen Ausführungsformen kann eine Änderung der Strahlleistung oder der Strahlverfahrgeschwindigkeit dazu führen, dass die höchste Temperatur einem Scan mit einer kürzeren Verweilzeit zugeordnet wird. Bei einigen Ausführungsformen kann das Rohsignal der Photodiode eine natürliche Schwankungsbreite und eine Streuung aufweisen, da sich die Lichtintensität während des gesamten Prozesses ändert, was auf die sehr chaotische Natur von diversen physikalischen Prozessen zurückzuführen ist, zum Beispiel die Wechselwirkungen zwischen Laserenergiequelle und Pulver, die chaotische Bewegung des geschmolzenen Metalls, den sich ändernden Sichtfaktor von diesem kleinen Hotspot zur Photodiode sowie die Verfestigung des Pulverbettes, nachdem die Energiequelle entlang des Scanmusters 216 verfahren wurde.
Aus Sensordaten, die von den stationären Sensoren und/oder axialen Sensoren erzeugt werden, kann eine beobachtete Temperatur berechnet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der stationäre Sensor ein Pyrometer mit einem Sichtfeld sein, das wesentlich größer ist als die aufgeheizte Zone. Das wesentlich größere Sichtfeld kann dazu führen, dass die im Sichtfeld beobachtete Temperatur der aufgeheizten Zone von der tatsächlichen Temperatur der aufgeheizten Zone und/oder des Schweißbades abweicht. Bei einigen Ausführungsformen können die verschiedenen in Bezug auf die 1A und 1B beschriebenen Sensoren verwendet werden, um die beobachtete Temperatur auf eine tatsächliche Temperatur zu normieren. Eine weitere Beschreibung, die sich mit der Bestimmung der tatsächlichen Temperatur befasst, ist in der am 18. November 2015 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/945,247 enthalten, auf deren Offenbarung hiermit durch Verweis in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke Bezug genommen wird.
3A zeigt ein exemplarisches Signalprofil, das von einem Pyrometer gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemessen wurde. Das Signalprofil stellt die Rohtemperaturdaten eines (Eulerschen) Pyrometers mit festem Sichtfelde dar, wenn mehrere Scans einer Wärmequelle das Sichtfeld 200 durchlaufen. Wenn sich die sich bewegende Wärmequelle dem Sichtfeld des Temperatursensors nähert, kommt es zu einem Anstieg der Hintergrundtemperatur 302. Der Anstieg der Hintergrundtemperatur 302 kann zu Scans wie 232 oder 234 gehören, die in 2C dargestellt sind und in der Nähe des Sichtfeldes 200 verlaufen, aber nicht in dieses gelangen. Irgendwann befindet sich die sich bewegende Wärmequelle vollständig im Sichtfeld 200 und es kommt zu höheren Temperaturen, kurzfristigen thermischen Ausschlägen 304. Die kurzfristigen thermischen Ausschläge 304 können zu Scans wie 236, 238, 240, 242 gehören, die wie in 2C dargestellt im Sichtfeld 200 verlaufen. Wenn die Wärmequelle dann aus dem Sichtfeld verschwindet und sich zu anderen Bereichen des Materials bewegt, kommt es zu einem langsamer abklingenden thermischen Transienten 306. Die Transienten von 3A sind auch mit Phasenänderungen verbunden, aber diese sind nur bei genauerer Betrachtung der schnelleren, thermischen Transienten 304 mit höherer Temperatur sichtbar oder erkennbar.
Das Profil von 3A rührt daher, dass das Sichtfeld 200 des Pyrometers, durch das die Wärmequelle scannt, kreisförmig ist. Während eines Scans tritt die Wärmequelle beispielsweise bei oder in der Nähe eines ersten Punktes 308 in das Sichtfeld 200 ein. Wenn sich die Wärmequelle dem Zentrum des Sichtfeldes nähert, wird die Bahnlänge des erwärmten Materials im Sichtfeld größer und die vom Pyrometer ausgegebenen Temperaturdaten reagieren entsprechend. Wenn die Wärmequelle das Sichtfeld passiert, nimmt die Temperatur weiter zu und erreicht ein Maximum 310, während sich die Wärmequelle im Sichtfeld 200 befindet. Das Maximum 310 tritt im Allgemeinen zu einem Zeitpunkt oder in der Nähe eines Zeitpunktes auf, wobei die Zeit durch die x-Achse 312 repräsentiert ist, der dem Zeitpunkt entspricht, an dem die Wärmequelle das Sichtfeld 200 verlässt, nachdem sie einen zentralen Abschnitt des Sichtfeldes 200 passiert hat (siehe z. B. Scan 238, wie in 2C dargestellt). Wenn der scannende Strahl das Sichtfeld 200 verlässt, nimmt die Intensität der thermischen Signatur wieder ab.
Die 3B und 3C zeigen das von einer Photodiode bzw. einem Pyrometer gemessene Temperaturprofil für einen einzelnen Scan der Wärmequelle durch das jeweilige Sensorsichtfeld. Das von beiden Sensoren gemessene Temperaturprofil zeigt den Anstieg der Hintergrundtemperatur 302, der zu der Energiequelle gehört, die entlang des Scanmusters nahe dem Sichtfeld verfahren wird. In beiden Temperaturprofilen befinden sich kurzzeitige thermische Ausschläge. Ein Unterschied in den physikalischen Eigenschaften der einzelnen Sensoren führt zu Unterschieden in der Größe der einzelnen Ausschläge. Das Maximum 310 wird in etwa zur gleichen Zeit erreicht, wobei die Zeit durch die x-Achse 312 repräsentiert wird. Außerdem zeigen beide Temperaturprofile den langsamer fallenden thermischen Transienten 306, wenn sich die Wärmequelle weiter vom Sichtfeld entfernt. Schließlich zeigen beide Temperaturprofile einen thermischen Haltebereich oder Inversionsbereich 314, der mit einem Phasenübergang im Material verknüpft ist, bei dem es sich im Falle der Abkühlkurve um den Übergang von flüssig zu fest handelt.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Temperaturprofils 400 in der Nähe des in 3 dargestellten Maximums 310. 4 zeigt, dass T_PEAK die Peaktemperatur 402 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Grenztemperatur T_H 404 die Hälfte der Peaktemperatur betragen. Die Grenztemperatur 404 wird durch die Linie 406 veranschaulicht, die das Temperaturprofil 400 schneidet. Bei anderen Ausführungsformen unterscheidet sich die Grenztemperatur von der halben Peaktemperatur und kann bestimmt werden, indem T_PEAK durch e dividiert wird, wie in Gl. (1) unten dargestellt ist: $T_{H} = \frac{T_{P e a k}}{e}$
worin e die Eulersche Zahl bedeutet: e ≈ 2.71828. Bei anderen Ausführungsformen kann der Nenner e durch einen vorgegebenen Wert ersetzt werden, um die Peaktemperatur auf die Grenztemperatur 404 zu senken. So können beispielsweise gewünschte Prozessparameter, andere IPQMs und Peaktemperaturdaten mittels maschinellen Lernens oder statistischer Techniken analysiert werden, um eine ideale Grenztemperatur 404 zu ermitteln.
Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Grenztemperatur 404 zur Anpassung an bestimmte Arten von additiven Fertigungsverfahren geändert werden. Beispielsweise können Hochleistungsanwendungen eine Halbwertsbreite nutzen, die eine höhere Energie und/oder eine höhere Verfahrgeschwindigkeit der Wärmequelle ermöglicht. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Halbwertsbreite entsprechend den Anforderungen eines bestimmten additiven Fertigungsprozesses angepasst werden.
5 veranschaulicht ein Temperaturprofil 500 für eine einzelne Peaktemperatur, wie beispielsweise die in 4 dargestellte Peaktemperatur 402. Die x-Achse 504 stellt die Zeit dar. Die Linie 406 schneidet das Temperaturprofil bei der Grenztemperatur 404. In 5 sind zwei Zeiten dargestellt, an denen die Linie 406, die die Grenztemperatur darstellt, das Temperaturprofil 500 schneidet. Eine erste Zeit t_HR ist mit der Aufheizrate verbunden. Die erste Zeit t_HR wird durch die Linie 502 veranschaulicht, die sich vom Schnittpunkt 508 der Grenztemperaturlinie 406 mit dem Temperaturprofil 500 bis zur x-Achse 504 erstreckt. Eine zweite Zeit t_CR ist mit der Abkühlrate verknüpft. Die zweite Zeit t_CR wird durch die Linie 512 veranschaulicht, die sich vom zweiten Schnittpunkt 514 der Grenztemperaturlinie 406 mit dem Temperaturprofil 500 bis zur x-Achse 504 erstreckt. Bei einigen Ausführungsformen kann unter Verwendung von t_HR und t_CR eine Metrik berechnet werden. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Metrik wie in Gleichung (2) angegeben als HALBWERTSBREITE t_HPBW definiert werden: $t_{H P B W} = (t_{C R} - t_{H R})$
Bei einigen Ausführungsformen können neben der Grenztemperatur auch Fit-Linien bestimmt werden, die die Heiz- und Kühlraten darstellen. Bei einigen Ausführungsformen können die Fit-Linien unter Verwendung einer Teilmenge der Datenpunkte aus dem Temperaturprofil 500 berechnet werden. Die Teilmenge kann beispielsweise durch eine minimale und maximale Grenztemperatur oder Grenzzeiten bestimmt werden, die einer vorgegebenen Position der Wärmequelle entlang des Scanmusters entsprechen. Die Fit-Linien können mit einem einfachen Verfahren durch Verbinden der Minimal- und Maximaltemperatur bestimmt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein genaueres Verfahren zum Bestimmen der besten Fit-Linie, wie beispielsweise die Methode der kleinsten Quadrate, alle ausgewählten Datenpunkte aus dem Temperaturprofil 500 verwenden, um eine Fit-Linie zu bestimmen. Einem Durchschnittsfachmann sind viele Variationen, Modifikationen und Alternativen geläufig.
5 veranschaulicht ferner eine Heizraten-Fit-Linie 516 und eine Kühlraten-Fit-Linie 522. Die Heizraten-Fit-Linie 516 kann verwendet werden, um die erste Zeit t_HR zu bestimmen, die mit der Heizrate verknüpft ist. Die mit der Heizrate verbundene Zeit kann auf Basis des ersten Fit-Linien-Schnittpunkts 518 der Heizraten-Fit-Linie 516 mit der Grenztemperatur 404 berechnet werden. Die Kühlraten-Fit-Linie 522 kann verwendet werden, um die zweite Zeit t_CR zu bestimmen, die mit der Kühlrate verknüpft ist. Die mit der Kühlrate verknüpfte Zeit kann auf Basis des zweiten Fit-Linien-Schnittpunkts 522 der Kühlraten-Linie 522 mit der Grenztemperatur 404 berechnet werden. Die Halbwertsbreite t_HPBW kann mit Hilfe der oben angegebenen Beziehung berechnet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Verwendung einer Fit-Linie gegenüber dem Temperaturprofil 500 zu einer anderen Halbwertsbreite t_HPBW führen, aber die einheitliche Verwendung beider Modelle sollte eine Metrik liefern, die Änderungen der Prozessparameter anzeigt, die sich auf die Qualität eines fertiggestellten Teils auswirken.
Die Halbwertsbreite kann zur Prognose, Messung und Steuerung von Prozessparametern des additiven Herstellungsverfahrens verwendet werden. Prozessparameter umfassen beispielsweise die Strahlleistung, die Strahlverfahrgeschwindigkeit, den Bahnabstand, usw.. Um dies zu verdeutlichen, kann eine Erhöhung der t_HPBW darauf hindeuten, dass die Strahlleistung zugenommen hat. Wenn beispielsweise die Strahlleistung zunimmt, steigt die Peaktemperatur und damit steigen die Anstiegszeit bis zur Peaktemperatur und die Abfallzeit. Dementsprechend wird sich die damit verbundene Breite des thermischen Profils vergrößern, da es länger dauert, bis das Pulverbett den höheren Peak der Peaktemperatur erreicht hat, und länger, um von der höheren Peaktemperatur abzukühlen.
Bei anderen Ausführungsformen können Änderungen in der t_HPBW auf Änderungen der Strahlverfahrgeschwindigkeit hinweisen. Wenn beispielsweise die Strahlverfahrgeschwindigkeit erhöht wird, sinkt die t_HPBW, weil die zugehörigen Wärmezyklen schneller sind und die Gesamtwärmeintensität in J/mm abnimmt. Als Folge der Abnahme schrumpft die Breite des thermischen Profils. Zusätzlich kann t_HPBW Änderungen im Bahnabstand anzeigen. Zum Beispiel sinkt die t_HPBW, wenn der Bahnabstand größer wird. Mit zunehmendem Bahnabstand erhöht sich die Zeit bis zum nächsten Laserdurchgang, sodass mehr Zeit für die Abkühlung des vorherigen Laserdurchgangs bleibt. In diesem Fall schrumpft das thermische Profil, da die Umgebungstemperatur niedriger und somit die Abkühlrate schneller ist.
Die Halbwertsbreite t_HPBW kann wichtige Prozessänderungen prognostizieren. Die Prozessparameter stellen die physikalische Grundlage für Schwankungen der Halbwertsbreite t_HPBW dar. Da die Halbwertsbreite t_HPBW auf Schwankungen der Prozessparameter reagiert, kann die Metrik den Status des additiven Herstellungsverfahrens genau erfassen. Bei einigen Ausführungsformen lassen sich anhand der Halbwertsbreite Änderungen der Prozessparameter erkennen, die zu Fehlern im additiven Fertigungsverfahren führen. Als Reaktion darauf kann das Verfahren den entsprechenden Prozessparameter anpassen, um die Bildung von Defekten in der Aufbauebene zu verhindern.
Bei einigen Ausführungsformen können thermische Profile, die mit mehr als einem Scan verknüpft sind, verwendet werden, um eine Prozessqualitätsmetrik auf Basis der Halbwertsbreite t_HPBW zu bestimmen. So können beispielsweise alle Peaks, die damit verknüpft sind, dass die Energiequelle direkt durch den Äquator des Sichtfeldes geführt wird, zur Bestimmung einer mittleren Halbwertsbreite t_HPBW(avg) verwendet werden. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die mittlere Halbwertsbreite t_HPBW(avg) zur Überwachung von Prozessparametern verwendet wird. Die mittlere Halbwertsbreite kann aus einer Anzahl N von Peaks berechnet werden, die um einen höchsten Peak 3 zentriert sind. 6 veranschaulicht ein Temperaturprofil 600 mit N = 2. In 6 wird für jeden Peak 1-5 die Halbwertsbreite t_HPBW bestimmt. t_HPBW von Peak 1 ist durch die Linie 602 dargestellt, t_HPBW von Peak 2 durch die Linie 604, t_HPBW von Peak 3 durch die Linie 606, t_HPBW von Peak 4 durch die Linie 608 und t_HPBW von Peak 5 durch die Linie 610. Der Mittelwert der fünf Peaks kann mit Gl. (3) berechnet werden: $t_{H P B W} (a v g) = \frac{t_{H P B W} (1) + t_{H P B W} (2) + t_{H P B W} (3) + t_{H P B W} (4) + t_{H P B W} (5)}{5}$
Die mittlere Halbwertsbreite kann zudem eine aussagekräftige Metrik mit geringerer Anfälligkeit für Fehler sein, die mit der Messung eines einzelnen Scans verbunden sind.
Zusätzlich zu den Prozessparametern kann der Abstand der Peaks auf Basis der Halbwertsbreite t_HPBW bestimmt werden. Ein dem Abstand der Peaks zugeordnetes Zeitintervall kann verwendet werden, um die relative Position des Sichtfeldes des Pyrometers in Bezug auf das Bahnmuster zu bestimmen. Der Abstand kann verwendet werden, um das Laserscanmuster und die Bahngröße zu bestimmen. Die 7A und 7B veranschaulichen eine Ausführungsform, bei der das Sichtfeld zu den Bahnen zentriert ist und der Abstand zwischen allen Peaks etwa gleich groß ist. 7A veranschaulicht ein Wärmequellenscanmuster 750 auf einer Aufbauebene 752. Nur ein Teil der Aufbauebene 752 wird durch das Sichtfeld 702 eines Sensors abgedeckt. Die Wärmequelle bewegt sich entlang des Scanmusters 750.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Wärmequelle das Sichtfeld 702 sechsmal, 704, 706, 708, 710, 712 und 714, durchqueren. Jeder Durchgang durch das Sichtfeld ist mit einem Peak von 7B verknüpft. Für jeden Peak kann eine Halbwertsbreite t_HPBW bestimmt werden. Der Abstand zwischen den jeweiligen Halbwertsbreiten t_space kann mit Hilfe der Abkühlrate t_CR und der Heizrate t_HR von zwei benachbarten Peaks berechnet werden. So kann beispielsweise der erste Abstand t_s1 716 unter Verwendung des zu dem Peak 704 gehörenden t_CR und des zu dem Peak 706 gehörenden t_HR berechnet werden. Der zweite und die nachfolgenden Abstände können in ähnlicher Weise berechnet werden, was zu einer Folge von Zeiten führt, die mit den Abständen zwischen den Wärmequellenscans (t_s1, t_s2, t_s3.... t_sN) verknüpft sind. Das Sichtfeld befindet sich im Zentrum der Bahnen, wenn t_s1 ≈ t_s2 ≈ t_s3 ≈ t_sN.
3A und 8B veranschaulichen eine alternative Ausführungsform, bei der sich das Sichtfeld nicht im Zentrum der Bahnen befindet. 3A veranschaulicht ein Wärmequellenscanmuster 750 auf einer Aufbauebene 752. Nur ein Teil der Aufbauebene 752 wird durch das Sichtfeld 702 des Sensors abgedeckt. Außerdem ist das Sichtfeld 702 des Sensors nicht zum Wärmequellenscanmuster 750 zentriert.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Wärmequelle das Sichtfeld 702 sechs Mal, 720, 722, 724, 726, 728 und 730, durchqueren. Es gibt sechs Durchgänge, da die Wärmequelle in den Abschnitten des Wärmequellenscans, die sich über die Grenze 754 der Aufbauebene 752 hinaus erstrecken, keine Energie abgibt. Jeder Durchgang durch das Sichtfeld ist mit einem Peak von 8B verknüpft. Für jeden Peak kann eine Halbwertsbreite t_HPBW bestimmt werden. Der Abstand zwischen den jeweiligen Halbwertsbreiten t_space kann mit Hilfe der mit der Abkühlrate verknüpften Zeit t_CR und der mit der Heizrate verknüpften Zeit t_HR von zwei benachbarten Peaks berechnet werden. Die mit der Abkühlrate und der Heizrate verknüpften Zeiten wurden anhand von 5 ausführlich erläutert. Wie aus 8B ferner ersichtlich ist, kann der erste Abstand t_s1 732 unter Verwendung des zu dem Peak 720 gehörenden t_CR und des zu dem Peak 722 gehörenden t_HR berechnet werden. Der zweite Abstand t_s2 734 kann auf ähnliche Weise berechnet werden, ist aber aufgrund der Zeit, die die Wärmequelle benötigt, um sich entlang des Wärmequellenscanmusters 750 zu bewegen und zum Sichtfeld zurückzukehren, messbar größer als t_s1. Die nachfolgenden Abstände können in ähnlicher Weise berechnet werden, was zu einer Folge von Zeiten führt, die mit den Abständen zwischen den Wärmequellenscans verknüpft sind (t_s1 732, t_s2 734, t_s3 736, t_s4 738 und t_s5 740). Die Folge von Zeiten, die mit den Abständen zwischen den Peaks verknüpft sind, zeigt, dass das Sichtfeld 702 nicht zu den Bahnen zentriert ist, wenn $t_{s 1} \approx t_{s 3} \approx t_{s 5} < t_{s 2} \approx t_{s 4} .$
Merkmale des additiven Fertigungsverfahrens wie die Heizrate, die Kühlrate und die Peaktemperatur, die oben beschrieben wurden, können die metallurgisch wichtigsten Merkmale darstellen. Die Halbwertsbreite kann verwendet werden, um diese Merkmale Scan für Scan und Schicht für Schicht zu verfolgen. Diese Merkmale könnten genutzt werden, um eine statistische Prozesssteuerungsmethode zu etablieren und die Frage zu beantworten: „Ist der Prozess unter Kontrolle?“.
Auf die beschriebenen Verfahren können die folgenden drei Arten der Prozesssteuerung angewendet werden, die zumindest zum Teil auf der in den 5 und 6 dargestellten Halbwertsbreite bzw. mittleren Halbwertsbreite basieren: Erstens, Prozessintervention oder das Stoppen oder Unterbrechen eines Prozesses auf Grund dessen, dass ein oder mehrere kritische Prozessmerkmale sich außerhalb eines bestimmten Bereichs befinden; zweitens, Zwischenschichtprozesssteuerung oder die Änderung von Prozessparametern zwischen den Schichten bei einem additiven Fertigungsverfahren auf Basis von Messungen, die während der vorherigen Schicht durchgeführt wurden, Qualitäts- oder Merkmalsmetriken, die aus solchen Messungen berechnet wurden, und ein Entscheidungsalgorithmus, der entscheidet, ob diese Merkmale innerhalb bestimmter Bereiche liegen und, wenn nicht, wie Anpassungen an Prozessparametern wie Wärmequellenleistung und Verfahrgeschwindigkeit vorgenommen werden können, um die Halbwertsbreite oder eine andere Qualitätsmetrik in die vorgegebenen Bereiche zurückzuführen. Die dritte Art der Prozesssteuerung, die angewendet werden kann, ist die Intra-Layer- oder Scan-Level-Prozesssteuerung, bei der Leistung, Verfahrgeschwindigkeit oder andere Prozessparameter so geändert werden können, dass bestimmte Qualitätsmetriken oder Qualitätsmerkmale innerhalb bestimmter Bereiche bleiben.
Die dritte Art der Prozesssteuerung ist die schnellste und erfordert den schnellsten Regelkreis. Die erste Form der Prozesssteuerung kann als eine Steuerung mit offenem Regelkreis und nur einem Ergebnis betrachtet werden, d. h. der Prozess wird gestoppt, wenn die Bedingungen zu weit vom Sollwert abweichen. Die zweite Art stellt eine langsamere Form der Echtzeitsteuerung dar und passt die Parameter lediglich von Schicht zu Schicht an.
9 zeigt ein Flussdiagramm für eine die zuvor erläuterten Prozessmerkmale nutzende Prozesssteuerung auf hoher Abstraktionsebene. Das Diagramm zeigt den Prozessablauf für den Fall der Intra-Layer- oder Scan-by-Scan-Steuerung. Bei einer solchen Steuerung werden ein einzelner Scan ausgeführt, Berechnungen durchgeführt und erforderlichenfalls Anpassungen vor dem nächsten Scan vorgenommen. Dies ist als schneller Regelkreis gedacht, der Änderungen in einer Millisekunde oder sogar weniger vornimmt. Bei 800 werden mit einem oder mehreren Eulerschen Sensoren thermische Messungen durchgeführt. Bei einigen Ausführungsformen werden die thermischen Messungen als Spannungsdaten erhalten. Bei 901 können die Wärmemessungen korrigiert werden, um eine tatsächliche Temperatur wiederzugeben. Bei 902 werden Merkmale wie die oben diskutierten extrahiert, die Merkmale wie die Halbwertsbreite, die mittlere Halbwertsbreite und die Zeit zwischen einer ersten Halbwertsbreite und einer zweiten Halbwertsbreite umfassen könnten, aber nicht darauf beschränkt sind. Es handelt sich um Merkmale, die für das Material und den abgeschiedenen Auftrag des additiven Fertigungsverfahrens metallurgisch von Bedeutung sind.
Bei 903 wird dann festgestellt, ob diese Merkmale innerhalb der vorgeschriebenen Bereiche liegen, von denen bekannt ist, dass sie einem normalen Prozessverhalten entsprechen und mit denen akzeptable Teile produziert werden. Wenn die Antwort ja ist, dann wird der Prozess bei 904 mit dem nächsten Scan mit den gleichen Prozessvariablen/Prozessparametern fortgeführt. Es wird darauf hingewiesen, dass es Hunderte oder Tausende von Scans innerhalb einer einzelnen Schicht eines additiv hergestellten Teils und Tausende solcher Schichten pro Teil geben kann. Wenn das Ergebnis der in 903 gestellten Abfrage nein ist, dann geht der Prozessablauf bei 905 zu einer Entscheidung bei 906 über. Bei 906 wird eine Methodik angewendet, die eine Entscheidung basierend auf der Größe und Richtung der beobachteten Abweichungen treffen kann. Diese Entscheidungslogik kann ein Prozessmodell mit reduzierter Ordnung sein oder es kann sich um eine Nachschlagetabelle oder Datenbank handeln oder eine Heuristik wie ein neuronales Netzwerk oder es kann sich um ein beliebiges anderes algorithmisches System handeln, das entscheidet, welche Prozessvariablen oder Prozessparameter um wie viel und in welche Richtung (erhöhen oder verringern) geändert werden sollen. So kann beispielsweise eine Änderung der Prozessvariablen oder Prozessparameter in Form von Änderungen der Wärmeausgangsleistung der Wärmequelle, der Verfahrgeschwindigkeit und des Scanmusters der Wärmequelle erfolgen, wodurch sich die Energiemenge ändern kann, die in eine oder mehrere Schichten eines Teils eingebracht wird.
Dann werden bei 907 diese neuen Prozessparameter verwendet, um den nächsten Scan auf Basis der Daten des vorherigen Scans durchzuführen, und der Prozess wird wiederholt, bis die Schicht und schließlich das Teil fertiggestellt sind. Im Allgemeinen führen eine höhere Leistung und eine geringere Verfahrgeschwindigkeit der Wärmequelle dazu, dass dem Bauteil mehr Wärme zugeführt wird. Die Zufuhr größerer Wärmemengen führt zu einer effektiven Verringerung der Verfestigungsrate. Um also einen Zustand zu beheben, bei dem die Erstarrung zu schnell erfolgt, kann dem System zusätzliche Wärme zugeführt werden. Wenn die Verfestigung der Materialien zu langsam erfolgt, kann dem Teil umgekehrt eine geringere Energiemenge zugeführt werden, wodurch die Geschwindigkeit erhöht wird, mit der die Verfestigung erfolgt. Generell ist die Verfestigungsrate des Materials sehr wichtig, da zu hohe Abkühlraten die Qualität des fertiggestellten Teils beeinträchtigen. Eine weitere Möglichkeit, die Wärmemenge, die einer bestimmten Schicht oder einem bestimmten Bereich zugeführt wird, einzustellen, besteht darin, das Scanmuster anzupassen. So würde beispielsweise ein Scanmuster mit eng gruppierten Durchgängen relativ mehr Wärme an das Bauteil abgeben als ein anderer Laser, wenn ansonsten die gleichen Einstellungen, aber mit einem breiteren Scanmuster verwendet werden.
INTEGRATION DER HALBWERTSBREITE IN EIN AGGREGATIONSBASIERTES ANALYSESYSTEM
10 zeigt einen Ablauf, bei dem von einem optischen Sensor, wie beispielsweise einem nicht bildgebenden Photodetektor, aufgezeichnete Daten zur Charakterisierung eines Aufbauvorgangs bei einer additiven Fertigung verarbeitet werden können. Bei 1002 werden Sensorrohdaten empfangen, die sowohl Aufbauebenen-Intensitätsdaten als auch Energiequellen-Ansteuerungssignale beinhalten können, die miteinander korreliert sind. Bei 1004 können durch den Vergleich des Ansteuerungssignals und der Aufbauebenen-Intensitätsdaten einzelne Scans identifiziert und innerhalb der Aufbauebene lokalisiert werden. Im Allgemeinen stellt das Energiequellen-Ansteuerungssignal zumindest eine Start- und eine Endposition zur Verfügung, aus denen die Fläche, über die sich der Scan erstreckt, bestimmt werden kann. Bei 1006 können die Sensorrohdaten, die mit einer Intensität oder Leistung jedes Scans verknüpft sind, in entsprechende X- und Y-Rasterbereiche gefasst werden. Bei einigen Ausführungsformen können Intensitäts- oder Leistungsrohdaten in Energieeinheiten umgewandelt werden, indem die Verweilzeit jedes Scans in einem bestimmten Rasterbereich korreliert wird. Jeder Rasterbereich kann eine Größe aufweisen, die einem oder mehreren Pixeln eines optischen Sensors entspricht, der die Aufbauebene überwacht. Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Koordinatensysteme, wie z. B. Polarkoordinaten, zur Speicherung von Rasterkoordinaten verwendet werden können und dass die Speicherung von Koordinaten nicht auf kartesische Koordinaten beschränkt ist. Bei einigen Ausführungsformen können verschiedene Scantypen separat gefasst werden, sodass die Analyse nur an bestimmten Scantypen durchgeführt werden kann. Beispielsweise könnte sich eine Bedienperson auf Konturscans konzentrieren wollen, wenn diese Scantypen höchstwahrscheinlich unerwünschte Variationen aufweisen. Bei 1008 kann der Energieeintrag an jedem Rasterbereich aufaddiert werden, sodass die in jedem Rasterbereich insgesamt erhaltene Energiemenge anhand von Gleichung (4) bestimmt werden kann. $E_{{pd}_{m}} = \sum_{n = 1}^{Pixel - Messwerte in Rasterzelle} E_{{pd}_{n}}$
Diese Addition kann kurz vor dem Hinzufügen einer neuen Pulverschicht zur Aufbauebene durchgeführt werden oder alternativ kann die Addition verzögert werden, bis eine vorgegebene Anzahl an Pulverschichten abgeschieden wurde. So könnte die Addition beispielsweise erst durchgeführt werden, nachdem während eines additiven Herstellungsprozesses fünf oder zehn verschiedene Pulverschichtbereiche abgeschieden und geschmolzen wurden. Bei einigen Ausführungsformen kann eine gesinterte Pulverschicht etwa 40 Mikrometer zur Dicke eines Teils beitragen; die Dicke variiert jedoch je nach verwendeter Pulverart und Dicke der Pulverschicht.
Bei 1010 wird die Standardabweichung für die erfassten und den einzelnen Rasterbereichen zugeordneten Messwerte bestimmt. Hierdurch können Rasterbereiche besser identifiziert werden, in denen die Energiewerte in einem geringeren oder größeren Umfang variieren. Schwankungen der Standardabweichung können auf Probleme in Bezug auf die Sensorleistung und/oder auf Fälle hinweisen, bei denen ein oder mehrere Scans fehlen oder das Leistungsniveau weit außerhalb der normalen Betriebsparameter liegt. Die Standardabweichung kann mit Hilfe von Gleichung (5) bestimmt werden. $E_{{pd}_{sm}} = \sqrt{\frac{1}{# Messwert - in - Position - 1} \sum_{n = 1}^{Messwert - in - pixel} {(E_{n} - \bar{E})}^{2}}$
Bei 1012 kann eine in jedem Rasterbereich insgesamt empfangene Energiedichte bestimmt werden, indem die Leistungswerte durch die Gesamtfläche des Rasterbereichs dividiert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Rasterbereich eine quadratische Geometrie mit einer Länge von etwa 250 Mikrometern aufweisen. Die Energiedichte für jeden Rasterbereich kann unter Verwendung von Gleichung (6) bestimmt werden. $E_{Rasterposition} = \frac{\sum_{n = 1}^{Messwerte - in - Position} E_{{pd}_{n}}}{A_{Rasterposition}}$
Bei 1014 können, wenn mehr als ein Teil aufgebaut wird, verschiedene Rasterbereiche verschiedenen Teilen zugeordnet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein System gespeicherte Teilegrenzen umfassen, mit denen jeder Rasterbereich und dessen zugehörige Energiedichte schnell mit ihrem jeweiligen Teil verknüpft werden können, wobei die Koordinaten des Rasterbereichs und die jedem Teil zugeordneten Grenzen verwendet werden.
Bei 1016 kann eine Fläche jeder Schicht eines Teils bestimmt werden. Wenn eine Schicht Hohlräume enthält oder zur Umgrenzung innerer Hohlräume beiträgt, dürfen wesentliche Teile der Schicht keine Energie erhalten. Aus diesem Grund kann die betroffene Fläche berechnet werden, indem nur Rasterbereiche addiert werden, bei denen bestimmt wurde, dass sie von der Energiequelle Energie erhalten. Bei 1018 kann die Gesamtmenge der von den Rasterbereichen innerhalb des dem Teil zugeordneten Abschnitts der Schicht empfangenen Leistung addiert und durch die betroffene Fläche dividiert werden, um die Energiedichte für diese Schicht des Teils zu bestimmen. Fläche und Energiedichte können mit den Gleichungen (7) und (8) berechnet werden. $A_{T e i l} = \sum_{n = 1}^{T e i l - P i x e l} 1 (E_{p d_{n}} > 0)$
${IPQM}_{{Teil}_{Schicht}} = \frac{\sum_{n = 1}^{T e i l - R a s t e r p o s i t i o n e n} E_{p d_{n}}}{A_{T e i l}}$
Bei 1020 kann die Energiedichte jeder Schicht addiert werden, um eine Metrik zu erhalten, die die Gesamtmenge der von dem Teil erhaltenen Energie angibt. Die Gesamtenergiedichte des Teils kann dann mit der Energiedichte anderer ähnlicher Teile an der Aufbauebene verglichen werden. Bei 1022 wird die Gesamtenergie von jedem Teil aufsummiert. Hierdurch können hochqualitative Vergleiche zwischen verschiedenen aufgebauten Elementen vorgenommen werden. Aufbauvergleiche können hilfreich sein, um systematische Unterschiede wie Pulververänderungen und Veränderungen der allgemeinen Ausgangsleistung zu identifizieren. Schließlich können bei 1024 die addierten Energiewerte mit anderen Schichten, Teilen oder Aufbauebenen verglichen werden, um die Qualität der anderen Schichten, Teile oder Aufbauebenen zu bestimmen.
Es können andere Metriken in der in 10 beschriebenen Weise addiert oder gespeichert werden. So kann beispielsweise die Halbwertsbreite eine dieser Metriken sein, und das hier beschriebene Verfahren zur Durchführung einer Halbwertsbreitenanalyse kann verwendet werden, um Einblicke in den additiven Herstellungsprozess zu gewinnen. Die gefassten Daten der Halbwertsbreite können vielfältig genutzt werden. So können beispielsweise die Halbwertsbreitenwerte für jeden Rasterbereich gemittelt oder die höchste Maximaltemperatur mit einem jeweiligen Rasterbereich verknüpft werden. Alternativ kann der Modus der oberen 5 oder 10 Prozent der Halbwertsbreitenwerte mit dem Rasterbereich verknüpft werden, um zu vermeiden, dass ein einziges Vorkommen einer Messung einer höheren Halbwertsbreite eine ansonsten eher nominale Halbwertsbreite verdrängt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in 10 dargestellten konkreten Schritte ein bestimmtes Verfahren zur Charakterisierung eines Aufbauvorgangs einer additiven Fertigung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Bei alternativen Ausführungsformen können auch andere Abfolgen von Schritten ausgeführt werden. So können bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Schritte beispielsweise in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Darüber hinaus können die in 10 dargestellten einzelnen Schritte mehrere Teilschritte umfassen, die in verschiedenen Abfolgen dem jeweiligen Schritt entsprechend durchgeführt werden können. Darüber hinaus können je nach Anwendung zusätzliche Schritte hinzugefügt oder entfernt werden. Dem Durchschnittsfachmann sind viele Variationen, Modifikationen und Alternativen erkennbar.
Die 11A - 11D zeigen anschauliche Darstellungen, die zeigen, wie mehrere Scans zum Energieeintrag in die einzelnen Rasterbereiche beitragen können. 11A stellt ein Rastermuster dar, das aus mehreren Rasterbereichen 1102 besteht, die über einen Bereich eines Teils verteilt sind, das mit Hilfe eines additiven Fertigungssystems aufgebaut wird. 11A zeigt ferner ein erstes Muster von Energiescans 1104, die sich diagonal über die Rasterbereiche 1102 erstrecken. Das erste Muster der Energiescans 1102 kann durch einen Laser oder eine andere starke Quelle thermischer Energie erzeugt werden, die über das Raster 1104 scannen. 11B zeigt, wie die über das Teil eingebrachte Energie in jedem der Rasterbereiche 1102 durch eine einzige Graustufenfarbe repräsentiert wird, die für eine darin jeweils erhaltene Energiemenge repräsentativ ist, wobei dunklere Grautöne größeren Energiemengen entsprechen. Es wird darauf hingewiesen, dass bei einigen Ausführungsformen die Größe der Rasterbereiche 1102 verringert werden kann, um Daten mit höherer Auflösung zu erhalten. Alternativ kann die Größe der Rasterbereiche 1102 erhöht werden, um den Speicher- und Rechenleistungsbedarf zu reduzieren.
11C zeigt ein zweites Muster von Energiescans 1106, das mit mindestens einem Teil der Energiescans des ersten Musters von Energiescans überlappt. Wie im Text zu 8 erläutert sind die Rasterbereiche, an denen sich das erste und das zweite Muster von Energiescans überlappen, in einem dunkleren Farbton dargestellt, um zu veranschaulichen, wie die Energie aus beiden Scans die Energiemenge erhöht hat, die an der Überlappung der Scanmuster erhalten wurde. Natürlich ist das Verfahren nicht auf zwei überlappende Scans beschränkt und kann viele weitere zusätzliche Scans umfassen, die zusammenaddiert werden, um die in jedem Rasterbereich empfangene Energie vollständig darzustellen.
Die 12A - 12F veranschaulichen, wie ein Raster dynamisch erstellt werden kann, um einen additiven Fertigungsprozess zu charakterisieren und zu steuern. 12A zeigt eine Draufsicht auf ein zylindrisches Werkstück 1202, das sich auf einem Bereich einer Aufbauebene 1204 befindet. Das Werkstück 1202 ist während des Vorgangs einer additiven Fertigung dargestellt. 12B zeigt, wie das zylindrische Werkstück 1202 in mehrere Bahnen 1206 unterteilt werden kann, entlang derer eine Energiequelle Pulver schmelzen kann, das auf einer Oberseite des zylindrischen Werkstücks 1202 verteilt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Energiequelle die Richtungen 1206 wie dargestellt wechseln, während sich bei anderen Ausführungsformen die Energiequelle nur in eine Richtung bewegen kann. Darüber hinaus kann die Richtung der Bahnen 1206 von Schicht zu Schicht variieren, um die Ausrichtung der Scans zum Aufbau des Werkstücks 1202 weiter zu randomisieren.
12C zeigt ein Beispiel eines Scanmusters für die Energiequelle bei der Ausbildung eines Teils des Werkstücks 1202. Wie durch den Pfeil 1208 angedeutet ist die Bewegungsrichtung einer exemplarischen Energiequelle über das Werkstück 1202 diagonal. Einzelne Scans 1210 der Energiequelle können in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Energiequelle entlang der Bahn 1206 ausgerichtet sein und sich vollständig über die Bahn 1206 erstrecken. Die Energiequelle kann zwischen aufeinanderfolgenden einzelnen Scans 1210 kurzzeitig abgeschaltet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Tastverhältnis der Energiequelle beim Queren einer jeden Bahn 1206 etwa 90% betragen. Durch den Einsatz dieser Art von Scanstrategie kann die Energiequelle eine Breite der Bahn 1206 abdecken, während sie über das Werkstück 1202 verfahren wird. Bei einigen Ausführungsformen kann der Streifen 1210 eine Breite von etwa 5 mm aufweisen. Hierdurch kann die Anzahl der zum Aufbau des Werkstücks 1202 benötigten Bahnen erheblich verringert werden, da bei einigen Ausführungsformen die Breite eines von der Energiequelle erzeugten Schmelzbades in der Größenordnung von etwa 80 Mikrometern liegen kann.
Die 12D - 12E zeigen, wie Rasterbereiche 1212 entlang jeder Bahn 1206 dynamisch erzeugt und so dimensioniert werden können, dass sie die Breite eines jeden einzelnen Scans 1210 aufnehmen können. Eine genaue Position der nachfolgenden Scans kann vom System vorhergesagt werden, indem auf Energiequellenansteuerungssignale Bezug genommen wird, die sich auf dem Weg zur Energiequelle befinden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Breite der Raster 1212 der Länge der einzelnen Scans 1210 entsprechen oder innerhalb von 10% oder 20% der Länge der einzelnen Scans 1210 liegen. Auch hier kann die Scanlänge der einzelnen Scans 1210 durch Bezugnahme auf die Energiequellenansteuerungssignale prognostiziert werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Rasterbereiche 1212 quadratisch oder rechteckig sein. Für jeden der Rasterbereiche 1212 kann eine thermische Energiedichte bestimmt werden, wenn die Energiequelle entlang der Bahn 1206 fortschreitet. Bei einigen Ausführungsformen können thermische Energiedichtemessungen innerhalb des Rasterbereichs 1212-1 verwendet werden, um die Ausgangsleistung der Energiequelle im nächsten Rasterbereich, in diesem Fall dem Rasterbereich 1212-2, anzupassen. Wenn beispielsweise die durch Einzelscans 1210 innerhalb des Rasterbereichs 1212-1 erzeugten thermischen Energiedichtewerte wesentlich höher sind als erwartet, kann die Energiequellenausgangsleistung reduziert werden, die Geschwindigkeit, mit der die Energiequelle über einzelne Scans 1210 verfahren wird, erhöht werden und/oder der Abstand zwischen einzelnen Scans 1210 innerhalb des Rasterbereichs 1212-2 erhöht werden. Diese Einstellungen können im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises vorgenommen werden. Auch wenn in 12E eindeutig nur fünf Einzelscans 1210 innerhalb jedes Rasterbereichs 1212 darstellt sind, dient dies nur als Beispiel, wobei die tatsächliche Anzahl von einzelnen Scans innerhalb eines Rasterbereichs 1212 wesentlich höher oder in einigen Fällen niedriger sein kann. Wenn beispielsweise die von der Energiequelle erzeugte Schmelzzone etwa 80 Mikrometer breit ist, sind etwa 60 einzelne Scans 1210 erforderlich, damit das gesamte Pulver innerhalb eines quadratischen 5 mm-Rasterbereichs 1212 in die Schmelzzone fällt.
12F zeigt einen Randbereich des Werkstücks 1202, nachdem die Energiequelle das Durchlaufen des Musters der Bahnen 1206 beendet hat. Bei einigen Ausführungsformen kann die Energiequelle dem Werkstück 1202 weiterhin Energie zuführen, nachdem ein Großteil des Pulvers geschmolzen wurde und wieder erstarrt ist. So können beispielsweise die Konturscans 1214 entlang der Peripherie 1216 des Werkstücks 1202 verlaufen, um eine Oberflächenbehandlung an dem Werkstück 1202 vorzunehmen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Konturscans 1214 wie abgebildet wesentlich kürzer sind als die Einzelscans 1210. Aus diesem Grund können die Rasterbereiche 1218 wesentlich schmäler sein als die Rasterbereiche 1212. Es ist auch zu beachten, dass die Rasterbereiche 1218 nicht wirklich rechteckig sind, da sie in diesem Fall der Kontur der Peripherie des Werkstücks 1202 folgen. Weitere Fälle, die zu unterschiedlichen Scanlängen führen können, können vorliegen, wenn ein Werkstück Wände mit sich ändernder Dicke aufweist. Eine Wand mit variabler Dicke kann dazu führen, dass die Scanlänge innerhalb eines einzigen Rasterbereichs variiert. In einem solchen Fall kann die Fläche eines jeden Rasterbereichs einheitlich gehalten werden, indem die Länge des Rasterbereichs vergrößert und gleichzeitig die Breite verkleinert wird, um Änderungen in der Länge der einzelnen Scans anzugleichen.
13 zeigt ein Beispiel für eine Regelung, die eine Rückkopplungsregelungsschleife 1300 aufweist, um eine Regelung einer additiven Fertigung zu etablieren und zu unterhalten. Bei Block 1302 wird ein Basiswert der thermischen Energiedichte für den nächsten Rasterbereich, den die Energiequelle durchlaufen soll, in die Regelschleife eingegeben. Der Basiswert für die thermische Energiedichte kann anhand von Modellierungs- und Simulationsprogrammen und/oder aus zuvor durchgeführten Experimenten/Testläufen ermittelt werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Basiswertdaten für die thermische Energiedichte durch den Energiedichteanpassungsblock 1304 angepasst werden, der Energiedichtewerte für verschiedene Rasterbereiche umfasst, die in den vorangegangenen Schichten aufgezeichnet wurden. Der Energiedichteanpassungsblock 1304 kann eine Anpassung für den Energiedichtebasiswertblock beinhalten, wenn vorhergehende Schichten zu viel oder zu wenig Energie erhalten haben. Wenn beispielsweise optische Sensormesswerte in einem Bereich eines Werkstücks eine thermische Energiedichte unterhalb der Sollwerte anzeigen, können Energiedichteanpassungswerte den Basiswert der Energiedichte bei Rasterbereichen erhöhen, die Rasterbereiche mit Messwerten unterhalb der thermischen Sollenergiedichte überlappen. Auf diese Weise kann die Energiequelle zusätzlich Pulver schmelzen, das in der oder den vorangegangenen Schichten nicht vollständig geschmolzen wurde.
Außer der Energiedichte können andere Metriken in der in den 12A - 12F beschriebenen Weise aufaddiert oder gespeichert werden. Eine dieser Metriken kann beispielsweise die Halbwertsbreite sein, und das hierin beschriebene Verfahren zur Durchführung einer Halbwertsbreitenanalyse kann verwendet werden, um Einblicke in den additiven Herstellungsprozess zu gewinnen. Die gefassten Halbwertsbreitendaten können vielfältig genutzt werden. So können beispielsweise die Halbwertsbreitenwerte für jeden Rasterbereich gemittelt oder die höchste Maximaltemperatur mit jedem Rasterbereich verknüpft werden. Alternativ kann der Modus der oberen 5 oder 10 Prozent der Halbwertsbreitenwerte mit dem Rasterbereich verknüpft werden, um zu vermeiden, dass ein einzelnes Auftreten einer Messung einer höheren Halbwertsbreite einen ansonsten eher nominalen Halbwertsbreitenwert verdrängt.
13 zeigt ferner, wie die Eingaben der Blöcke 1302 und 1304 im Zusammenwirken ein Energiedichtesteuersignal erzeugen, das von der Steuerung 1306 empfangen wird. Die Steuerung 1306 ist ausgebildet, das Energiedichtesteuersignal zu empfangen und Wärmequelleneingangsparameter zu erzeugen, die ausgebildet sind, die gewünschte thermische Energiedichte innerhalb des aktuellen Rasterbereichs zu erzeugen. Die Eingangsparameter können Leistung, Scangeschwindigkeit, Bahnabstand, Scanrichtung und Scandauer umfassen. Die Eingangsparameter werden anschließend von der Energiequelle 1308 empfangen und alle Änderungen der Eingangsparameter werden von der Energiequelle 1308 für den aktuellen Rasterbereich übernommen. Sobald optische Sensoren die Scans der Energiequelle 1308 messen, die den aktuellen Rasterbereich bilden, wird bei Block 1310 die thermische Energiedichte für den aktuellen Rasterbereich berechnet und mit dem Energiedichtesteuersignal verglichen. Wenn die beiden Werte gleich sind, wird aufgrund der optischen Sensordaten keine Änderung des Energiedichtesteuersignals vorgenommen. Sind die beiden Werte jedoch verschieden, wird für Scans im nächsten Rasterbereich die Differenz zu dem Energiedichtesteuersignal addiert oder von diesem subtrahiert.
Die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Implementierungen oder Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen können einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet werden. Verschiedene Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen können durch Software, Hardware oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. Die beschriebenen Ausführungsformen können auch als computerlesbarer Code auf einem computerlesbaren Medium zur Steuerung von Fertigungsvorgängen oder als computerlesbarer Code auf einem computerlesbaren Medium zur Steuerung einer Fertigungslinie realisiert sein. Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich um jede Datenspeichervorrichtung handeln, die Daten speichern kann, die anschließend von einem Computersystem gelesen werden können. Beispiele für ein computerlesbares Medium sind Festwertspeicher, Direktzugriffsspeicher, CD-ROMs, Festplatten, DVDs, Magnetbänder und optische Datenspeichergeräte. Das computerlesbare Medium kann auch über netzwerkgekoppelte Computersysteme verteilt sein, sodass der computerlesbare Code in verteilter Form gespeichert und ausgeführt wird.
Die vorstehende Beschreibung verwendet zum Zwecke der Erläuterung eine spezifische Nomenklatur, um ein gründliches Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen zu ermöglichen. Es ist für den Fachmann jedoch ersichtlich, dass spezielle Details nicht erforderlich sind, um die beschriebenen Ausführungsformen in die Praxis umzusetzen. Daher dienen die vorstehenden Beschreibungen konkreter Ausführungsformen der Veranschaulichung und Erläuterung. Sie sind nicht abschließend zu verstehen und beschränken die beschriebenen Ausführungsformen nicht auf die konkret offenbarten Formen. Ein Durchschnittsfach erkennt, dass viele Modifikationen und Variationen in Bezug auf die oben angegebenen Lehren möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62582792 [0001]
US 62/633487 [0001]
US 62/643457 [0001]
US 14/945247 [0015]
US 14945247 [0032]

Claims

Additives Herstellungsverfahren, das umfasst: Überwachen der Temperatur eines Abschnitts einer Aufbauebene während eines additiven Fertigungsvorgags unter Verwendung eines Temperatursensors, während eine Wärmequelle den Abschnitt der Aufbauebene durchläuft; Erfassen einer Peaktemperatur, die mit einem oder mehreren Durchgängen der Wärmequelle durch den Abschnitt der Aufbauebene verknüpft ist; Bestimmen einer Grenztemperatur durch Reduzieren der Peaktemperatur um einen vorgegebenen Betrag; Ermitteln eines Zeitintervalls, in dem die überwachte Temperatur die Grenztemperatur überschreitet; Identifizieren einer Änderung der Herstellungsbedingungen, die wahrscheinlich zu einem Fertigungsfehler führen wird, anhand des Zeitintervalls; und Ändern eines Prozessparameters der Wärmequelle als Reaktion auf die Änderung der Herstellungsbedingungen.
Additives Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, worin das Bestimmen der Grenztemperatur das Einstellen der Grenztemperatur auf Basis einer Anforderung eines bestimmten additiven Fertigungsvorgangs umfasst.
Additives Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Ändern des Prozessparameters als Reaktion auf die Änderung der Herstellungsbedingungen ferner ein Ändern eines zweiten Prozessparameters umfasst.
Additives Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin der Prozessparameter die Strahlleistung und/oder die Strahlverfahrgeschwindigkeit und/oder den Bahnabstand umfasst.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Temperatursensor ein Pyrometer umfasst.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner umfasst: Bestimmen von mehreren Zeitintervallen, wobei jedes Zeitintervall der mehreren Zeitintervalle mit einem Bereich des Abschnitts der Aufbauebene verknüpft ist, der mit der Temperatur verknüpft ist, die die Grenztemperatur überschreitet; und Bestimmen eines mittleren Zeitintervalls, das mit den mehreren Zeitintervallen verknüpft ist.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner umfasst: Bestimmen von mehreren Zeitintervallen, wobei jedes Zeitintervall der mehreren Zeitintervalle mit einem Bereich des Abschnitts der Aufbauebene verknüpft ist, der mit der Temperatur verknüpft ist, die die Grenztemperatur überschreitet; und Bestimmen eines Bahnabstandsparameters, der mit den mehreren Zeitintervallen verknüpft ist.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Temperatur eine beobachtete Temperatur ist.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Temperatur eine tatsächliche Temperatur ist.
Additives Herstellungsverfahren, das umfasst: Durchführen eines additiven Fertigungsvorgangs unter Verwendung einer Energiequelle; Empfangen von Spannungsdaten, die mit einer stationären Photodiode verknüpft sind, während eines Scans der Energiequelle über einen Abschnitt eines Pulverbettes zur Herstellung eines Teils; Erfassen einer Peakspannung, die mit einem oder mehreren Durchgängen der Energiequelle durch den Abschnitt des Pulverbettes verknüpft ist; Bestimmen einer Grenzspannung durch Reduzieren der Peakspannung um einen vorgegebenen Betrag; Ermitteln eines Zeitintervalls, in dem die Spannungsdaten die Grenzspannung überschreiten; Identifizieren einer Änderung der Herstellungsbedingungen, die zu einem Fertigungsfehler führen kann, anhand des Zeitintervalls; und Ändern eines Prozessparameters der Energiequelle als Reaktion auf die Änderung der Herstellungsbedingungen.
Additives Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, worin das Bestimmen der Grenzspannung das Einstellen der Grenztemperatur auf Basis einer Anforderung eines bestimmten additiven Fertigungsvorgangs umfasst.
Additives Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, worin das Ändern des Prozessparameters als Reaktion auf die Änderung der Herstellungsbedingungen ferner ein Ändern eines zweiten Prozessparameters umfasst.
Additives Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, worin der Prozessparameter die Strahlleistung und/oder die Strahlverfahrgeschwindigkeit und/oder den Bahnabstand umfasst.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, worin die stationäre Photodiode ein Pyrometer umfasst.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, das ferner umfasst: Bestimmen von mehreren Zeitintervallen, wobei jedes Zeitintervall der mehreren Zeitintervalle mit einem Bereich des Abschnitts der Aufbauebene verknüpft ist, der mit den Spannungsdaten verknüpft ist, die die Grenzspannung überschreiten; und Bestimmen eines mittleren Zeitintervalls, das mit den mehreren Zeitintervallen verknüpft ist.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, das ferner umfasst: Bestimmen von mehreren Zeitintervallen, wobei jedes Zeitintervall der mehreren Zeitintervalle mit den Spannungsdaten verknüpft ist, die die Grenzspannung überschreiten; und Bestimmen eines Bahnabstandsparameters, mit den mehreren Zeitintervallen verknüpft ist.
Additives Fertigungssystem, das aufweist: eine Wärmequelle; einen nicht bildgebenden optischen Sensor, der zum Messen von Temperaturen über eine Oberfläche eines Materials während eines additiven Fertigungsvorgangs ausgebildet ist, bei dem das Material durch die Wärmequelle aufgeheizt wird; und zumindest einen Prozessor, der zum Aufnehmen von Temperaturdaten von dem optischen Sensor ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Prozessor ferner ausgebildet ist zum: Überwachen einer Temperatur eines Abschnitts einer Aufbauebene während eines additiven Fertigungsvorgangs unter Verwendung des nicht bildgebenden Sensors, wenn eine Wärmequelle den Abschnitt der Aufbauebene durchläuft; Erfassen einer Peaktemperatur, die mit einem oder mehreren Durchgängen der Wärmequelle durch den Abschnitt der Aufbauebene verknüpft ist; Bestimmen einer Grenztemperatur durch Reduzieren der Peaktemperatur um einen vorgegebenen Betrag; Ermitteln eines Zeitintervalls, in dem die überwachte Temperatur die Grenztemperatur überschreitet; Identifizieren einer Änderung der Herstellungsbedingungen, die wahrscheinlich zu einem Fertigungsfehler führen wird, anhand des Zeitintervalls; und Ändern eines Prozessparameters der Wärmequelle als Reaktion auf die Änderung der Herstellungsbedingungen.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 17, worin das Bestimmen der Grenztemperatur das Einstellen der Grenztemperatur auf Basis einer Anforderung eines bestimmten additiven Fertigungsvorgangs umfasst.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Ändern des Prozessparameters als Reaktion auf die Änderung der Herstellungsbedingungen ferner ein Ändern eines zweiten Prozessparameters umfasst.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 17 , 18 oder 19, worin der Prozessparameter die Strahlleistung und/oder die Strahlverfahrgeschwindigkeit und/oder den Bahnabstand umfasst.