DE102018214256A1 - Device for the additive manufacturing of three-dimensional components - Google Patents

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Technische Universitaet Dresden
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Abstract

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen werden Bauteile auf einer Bauplattform mit pulverförmigem Werkstoff oder zugeführtem drahtförmigen Werkstoff unter dem Einfluss eines Energiestrahles schichtweise aufgebaut. Auf der dem aufzubauenden Bauteil gegenüberliegenden Oberfläche der Bauplattform (1) und/oder auf der Oberfläche der Bauplattform (1) auf der das jeweilige Bauteil aufgebaut ist und/oder innerhalb der Bauplattform (1) ein Sensorarray (2), das zur orts- und zeitaufgelösten Messung mechanischer Spannungen, Kräfte, Momente, Dehnungen oder Verformungen ausgebildet ist, angeordnet ist und mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist, die zur Erfassung und Auswertung der orts- und zeitaufgelöst erfassten Messsignale ausgebildet ist.In the device according to the invention for the additive manufacturing of three-dimensional components, components are built up in layers on a construction platform with powdered material or supplied wire-shaped material under the influence of an energy beam. On the surface of the building platform (1) opposite the component to be built and / or on the surface of the building platform (1) on which the respective component is built and / or within the building platform (1) a sensor array (2) which is used for local and time-resolved measurement of mechanical stresses, forces, moments, expansions or deformations is arranged, and is connected to an electronic evaluation and control unit, which is designed to detect and evaluate the measurement signals recorded in a spatially and time-resolved manner.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit der ein Prozessmonitoring und auch eine Prozessregelung eines solchen additiven Fertigungsverfahrens für metallische Werkstoffe möglich sind. Die Erfindung ist insbesondere für solche Verfahren, bei denen ein metallischer Werkstoff über thermisches Schmelzen auf eine metallische Substratplatte (Bauplattform) aufgebracht wird, geeignet. Konkrete Beispiele für betreffende additive Fertigungsverfahren sind gemäß VDI 3405 die pulverbettbasierten Verfahren Laser-Strahlschmelzen (Laser Beam Melting LBM), Elektronen- Strahlschmelzen (Electron Beam Melting EBM) sowie die auftragsschweißenden Verfahren mit lokaler Materialzuführung, wie das Laser-Pulver-Auftragsschweißen und Laser-Draht-Auftragsschweißen (beide Verfahren auch bekannt unter Direct Metal Depositioning DMD).The invention relates to a device for additive manufacturing of three-dimensional components according to the preamble of claim 1, with which process monitoring and also process control of such an additive manufacturing method for metallic materials are possible. The invention is particularly suitable for those processes in which a metallic material is applied to a metallic substrate plate (building platform) by thermal melting. Specific examples of the relevant additive manufacturing processes in accordance with VDI 3405 are the powder-bed-based processes laser beam melting (Laser Beam Melting LBM), electron beam melting (Electron Beam Melting EBM) and the build-up welding processes with local material supply, such as laser powder build-up welding and laser Wire cladding (both processes also known as Direct Metal Depositioning DMD).

Die oben benannten Verfahren haben allesamt das physikalische Grundprinzip zu Grunde liegend, dass ein metallischer Werkstoff durch eine hochenergetische Strahlquelle mit einem Energiestrahl (Laser- oder Elektronenstrahl) aufgeschmolzen wird und anschließend zu einer Schweißraupe erstarrt. Durch die benachbarte Anordnung mehrerer Schweißraupen kann somit ein dreidimensionales Bauteil hergestellt werden. Bei diesen Verfahren erfolgt dabei der Aufbau des dreidimensionalen Bauteils i. d. R. auf eine metallische Substratplatte (Bauplattform), entweder direkt oder indirekt über sogenannte Stützstrukturen (auch Supports oder Supportstrukturen genannt). Bei diesem additiven Schweißprozess treten hohe Temperaturen auf, welche im Bereich der Schmelzzone die Schmelztemperaturen des jeweilig verarbeiteten Metalls aufweisen. Diese eingebrachte Wärme ermöglicht das lokale Aufschmelzen des Werkstoffs in der Prozesszone und muss dann durch ggf. zuvor aufgebaute und in z-Richtung darunter befindliche Bauteilsegmente sowie ggf. vorhandene Stützstrukturen und letztendlich durch die Bauplattform in die Maschinenstruktur abgeleitet werden. Im Bauteil selbst entstehen dabei durch die im Prozess auftretenden hohen Temperaturgradienten thermisch-induzierte Spannungen (Eigenspannungen), welche den Prozess und die resultierende Bauteilqualität beeinflussen können (z. B. plastische Bauteilverformungen, Materialversagen falls Eigenspannungen > Zugfestigkeit des verarbeiteten Werkstoffs).The above-mentioned methods are all based on the basic physical principle that a metallic material is melted by a high-energy beam source with an energy beam (laser or electron beam) and then solidifies to form a weld bead. A three-dimensional component can thus be produced by the adjacent arrangement of several welding beads. With these methods, the three-dimensional component i is constructed. d. Usually on a metallic substrate plate (construction platform), either directly or indirectly via so-called support structures (also called supports or support structures). In this additive welding process, high temperatures occur, which in the area of the melting zone have the melting temperatures of the respective processed metal. This introduced heat enables the material to melt locally in the process zone and must then be dissipated into the machine structure through component segments that may have been built up beforehand and located in the z direction below them, as well as any support structures that may be present, and ultimately through the construction platform. In the component itself, the high temperature gradients that occur in the process result in thermally induced stresses (residual stresses), which can influence the process and the resulting component quality (e.g. plastic component deformations, material failure if residual stresses> tensile strength of the processed material).

Demzufolge fungieren die Bauplattform, neben der Substratfunktion, sowie die Stützstrukturen, falls verwendet, zum einen als Wärmeleiter auch zum anderen als mechanische Zuganker zwischen spannungsbehaftetem Bauteil und darunter befindlicher Bauplattform.Accordingly, the construction platform, in addition to the substrate function, and the support structures, if used, function on the one hand as a heat conductor and on the other hand as a mechanical tie rod between the stressed component and the construction platform located underneath.

Problematisch dabei ist, dass die Spannungsverteilung im Bauteilvolumen stark von der Bauteilgeometrie selbst, den jeweilig verwendeten Prozessparametern, wie beispielsweise Belichtungsstrategie (Muster und Reihenfolge), Laserleistung, Belichtungsgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit der Brennfleckbewegung des Energiestrahls) und auch werkstoffspezifische Eigenschaften abhängt. Damit ist eine prozesssichere, reproduzierbare und fehlerfreie additive Herstellung von Metallbauteilen nur in Grenzen oder mit zeit- und kostenintensiven Iterationen realisierbar, was wiederum die industrielle Anwendung und Akzeptanz additiver Fertigungsverfahren einschränkt. Zudem adressiert die additive Fertigung die Herstellung individueller Produkte (Einzelteile, Kleinst- und Kleinserien), womit eine „first-time-right“-Fertigung notwendig und langwierige Einfahrprozesse unakzeptabel sind.The problem here is that the stress distribution in the component volume depends heavily on the component geometry itself, the process parameters used in each case, such as exposure strategy (pattern and sequence), laser power, exposure speed (feed speed of the focal spot movement of the energy beam) and also material-specific properties. This means that reliable, reproducible and error-free additive manufacturing of metal components can only be achieved within limits or with time and cost-intensive iterations, which in turn limits the industrial application and acceptance of additive manufacturing processes. Additive manufacturing also addresses the manufacture of individual products (individual parts, small and small series), which means that "first-time-right" production is necessary and lengthy run-in processes are unacceptable.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei der additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile die Entstehung thermisch bedingter Spannungen im Bauteilvolumen unmittelbar während der additiven Fertigung zu erkennen und bevorzugt im weiteren Fertigungsfortschritt zu berücksichtigen, um eine weitere Ausbildung von Spannungen im Bauteilwerkstoff zu vermeiden, zumindest jedoch weitestgehend zu reduzieren.It is therefore an object of the invention to recognize the development of thermally induced stresses in the component volume directly during additive manufacturing in the additive manufacturing of three-dimensional components and preferably to take this into account in the further production progress in order to avoid further development of stresses in the component material, but at least to a large extent to reduce.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a device which has the features of claim 1. Advantageous refinements of the invention can be realized with features designated in the subordinate claims.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen werden Bauteile auf einer Bauplattform mit pulverförmigem Werkstoff oder zugeführtem drahtförmigen Werkstoff unter dem Einfluss eines Energiestrahles schichtweise aufgebaut. Auf der dem aufzubauenden Bauteil gegenüberliegenden Oberfläche der Bauplattform und/oder auf der Oberfläche der Bauplattform auf der das jeweilige Bauteil aufgebaut ist und/oder innerhalb der Bauplattform ist/sind ein Sensorarray, das zur orts- und zeitaufgelösten Messung mechanischer Spannungen, Kräfte oder Momente ausgebildet ist, angeordnet.With the device according to the invention for the additive manufacturing of three-dimensional components, components are built up in layers on a construction platform with powdered material or supplied wire-shaped material under the influence of an energy beam. On the surface of the building platform opposite the component to be built and / or on the surface of the building platform on which the respective component is built and / or within the building platform / are a sensor array which is designed for the location and time-resolved measurement of mechanical stresses, forces or moments is arranged.

Dadurch ist es nicht nur möglich, die jeweils an einer Position wirkenden Kräfte, Momente, Dehnungen oder Verformungen zu bestimmen. Es besteht mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit zusätzlich die Möglichkeit, auch eine Richtungsbestimmung für wirkende Kräfte oder Momente, die der jeweiligen Ausrichtung von Spannungen im Bauteil entspricht, vorzunehmen.As a result, it is not only possible to determine the forces, moments, strains or deformations acting at each position. With an electronic evaluation and control unit, it is also possible to determine the direction of acting forces or moments, which corresponds to the respective alignment of stresses in the component.

Das/die Sensorarray ist/sind einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden. Die elektronische Auswerte- und Steuereinheit ist zur Erfassung und Auswertung der orts- und zeitaufgelöst erfassten Messsignale ausgebildet.The sensor array (s) is / are connected to an electronic evaluation and control unit. The The electronic evaluation and control unit is designed to record and evaluate the measurement signals recorded in a spatially and time-resolved manner.

So kann mit der reinen Erfassung ein Prozessmonitoring und ggf. ein später erforderlicher Qualitätsnachweis durchgeführt werden. Mit einer Auswertung kann gezielt Einfluss auf den nachfolgenden Fertigungsfortschritt genommen werden, um die Entstehung von Spannungen im Bauteilvolumen während des additiven Fertigungsprozesses zu vermeiden bzw. erheblich zu reduzieren, so dass eine ausreichende Herstellungsqualität eingehalten werden kann.In this way, process monitoring and, if necessary, later proof of quality can be carried out with the pure recording. An evaluation can be used to influence the subsequent production progress in a targeted manner in order to avoid or significantly reduce the development of stresses in the component volume during the additive manufacturing process, so that sufficient manufacturing quality can be maintained.

So kann mit der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit eine Beeinflussung der Bewegung des Brennflecks des eingesetzten Energiestrahls, der Leistung des Energiestrahls, der Leistungsdichte im Brennfleck des Energiestrahls und/oder einer Kühleinrichtung und Heizeinrichtung erreicht werden.The electronic evaluation and control unit can thus be used to influence the movement of the focal spot of the energy beam used, the power of the energy beam, the power density in the focal spot of the energy beam and / or a cooling device and heating device.

Bei einer Kühlung können bestimmte Kühlkanäle, durch die ein Kühlmedium strömt und die insbesondere in der Bauplattform oder einer Baukammer vorhanden sind, entsprechend mit Kühlmittel stärker durchströmt werden, um lokal definiert eine erhöhte Temperaturabsenkung im Bauteilwerkstoff zu erreichen. Dies kann aber auch durch direktes Anströmen der Bauteiloberfläche, die mit dem Pulverbett nach oben hin bündig hervorsteht, mit einem Temperiergas, insbesondere einem Kühlgas aus dazu geeigneten Richtungen mit einstellbaren Volumenströmen erreicht werden. Ein Temperiergas kann beispielsweise über entsprechend positionierte oder positionierbare Düsen aus einer oder mehreren besonders geeigneten Richtung(en) in Richtung eines besonders zu temperierenden Oberflächenbereiches eines sich in der Fertigungsphase befindlichen Bauteils gerichtet werden. Auch eine Kombination des Temperiergases mit dem Inert- bzw. Schutzgas, welches Bestandteil der Prozessführung bei den adressierten additiven Fertigungsfahren mit thermischen Bindungsmechanismus ist, ist hier denkbar.In the case of cooling, certain cooling channels through which a cooling medium flows and which are present in particular in the building platform or in a building chamber can accordingly be flowed through more strongly with coolant in order to achieve a locally defined, increased temperature drop in the component material. However, this can also be achieved by direct flow against the component surface, which projects flush with the powder bed upwards, with a temperature control gas, in particular a cooling gas, from directions suitable for this purpose with adjustable volume flows. A temperature control gas can be directed, for example, via appropriately positioned or positionable nozzles from one or more particularly suitable direction (s) in the direction of a surface area of a component that is in the production phase that is to be temperature-controlled. A combination of the temperature control gas with the inert or protective gas, which is part of the process control in the addressed additive manufacturing processes with a thermal binding mechanism, is also conceivable here.

Wie mit einer Kühleinrichtung können Temperaturgradienten an der Bauplattform, einer Stützstruktur sowie an einem herzustellenden Bauteil mittels einer Heizeinrichtung reduziert werden. Eine solche Heizeinrichtung sollte lokal differenziert die Temperatur beeinflussen können. So kann man beispielsweise einzelne Heizelemente geregelt ansteuern, um die Temperatur an bestimmten Positionen zu erhöhen oder auch absenken zu können.As with a cooling device, temperature gradients on the construction platform, a support structure and on a component to be produced can be reduced by means of a heating device. Such a heating device should be able to influence the temperature in a locally differentiated manner. For example, you can control individual heating elements in a controlled manner in order to increase or decrease the temperature at certain positions.

Eine Erwärmung kann aber auch mit einem entsprechend erwärmten Gas für eine Temperierung erfolgen. Dabei kann ein erwärmtes Gas definiert auf bestimmte Bereiche eines Bauteils gerichtet werden.However, heating can also be carried out with a correspondingly heated gas for temperature control. A heated gas can be directed to certain areas of a component in a defined manner.

Wie bereits angesprochen, kann auf der Oberfläche der Bauplattform, auf der ein jeweiliges Bauteil hergestellt wird, eine Stützstruktur hergestellt worden sein, auf der das jeweilige Bauteil aufgebaut wird und über die Kräfte und Momente vom jeweiligen Bauteil in die Bauplattform eingeleitet und mit mindestens einem Sensorarray erfasst werden.As already mentioned, a support structure can be produced on the surface of the building platform on which a respective component is manufactured, on which the respective component is built and introduced into the building platform via the forces and moments from the respective component and with at least one sensor array are recorded.

Mindestens ein Sensorarray kann mit einer Oberfläche der Bauplattform stoffschlüssig, bevorzugt durch Kleben oder Schweißen verbunden sein.At least one sensor array can be integrally connected to a surface of the building platform, preferably by gluing or welding.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass zwischen einer Stützstruktur oder dem jeweiligen Bauteil und der Oberfläche der Bauplattform, auf der ein Bauteil hergestellt wird und an der ein Sensorarray angeordnet ist, eine Trenn- oder Schutzschicht ausgebildet ist. Damit kann die Oberfläche eines Sensorarrays vor schädigenden Einflüssen geschützt werden. Mit einer Schutz- bzw. Trennschicht kann auch eine Entfernung von Resten an aufgetragenem Werkstoff, der für die Herstellung eines Bauteils oder einer Stützstruktur überschüssig eingesetzt worden ist, erleichtert realisiert werden.There is also the possibility that a separating or protective layer is formed between a support structure or the respective component and the surface of the construction platform on which a component is manufactured and on which a sensor array is arranged. This allows the surface of a sensor array to be protected from damaging influences. With a protective or separating layer, it is also easier to remove residues of applied material that has been used in excess for the production of a component or a support structure.

Ein Sensorarray kann mit einer Mehrzahl von Einzelsensoren oder Subsensorarrays, die bevorzugt in einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet sind, gebildet sein. Dadurch kann das Ortsauflösungsvermögen verbessert werden, wodurch die Größe von wirkenden Kräften oder Momenten genauer erfasst werden können.A sensor array can be formed with a plurality of individual sensors or sub-sensor arrays, which are preferably arranged in a row and column arrangement. The spatial resolution capability can thereby be improved, as a result of which the magnitude of acting forces or moments can be recorded more precisely.

Ein Sensorarray kann mit einer Vielzahl von Einzelsensoren ausgebildet sein. Als Einzelsensoren kann man Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische Elemente, Dünnschichtsensoren, optische Sensoren, Druckmessfolien, pneumatische/hydraulische Sensoren, kapazitive Sensoren, induktive oder faseroptische Sensoren einsetzen.A sensor array can be designed with a large number of individual sensors. Strain gauges, piezoelectric elements, thin-film sensors, optical sensors, pressure measuring foils, pneumatic / hydraulic sensors, capacitive sensors, inductive or fiber-optic sensors can be used as individual sensors.

Vorteilhaft kann auch mindestens ein Temperatursensor an der Bauplattform angeordnet oder Bestandteil eines Sensorarrays sein, der an die elektronische Auswerte- und Steuereinheit angeschlossen ist. Mehrere Temperatursensoren sollten an einer Bauplattform, bevorzugt in einer Anordnung mit bekannten oder von der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit bestimmbaren Positionen angeordnet sein. Mit einer zusätzlichen Temperaturbestimmung kann die Einflussnahme auf die nachfolgende Prozessführung für die Herstellung eines Bauteils noch verbessert werden, da auch die Temperatur als Einflussgröße berücksichtigt werden kann. Die elektronische Auswerte- und Steuereinheit ist in einer solchen Ausführung der Erfindung dann so ausgebildet, dass auch unter Berücksichtigung der erfassten Temperaturmesssignale die Bewegung des Brennflecks des eingesetzten Energiestrahls, die Leistung des Energiestrahls, die Leistungsdichte im Brennfleck des Energiestrahls und/oder die Kühl- und Heizeinrichtung beeinflussbar ist/sind.At least one temperature sensor can advantageously also be arranged on the construction platform or be part of a sensor array which is connected to the electronic evaluation and control unit. Several temperature sensors should be arranged on a construction platform, preferably in an arrangement with known positions or positions that can be determined by the electronic evaluation and control unit. With an additional temperature determination, the influence on the subsequent process control for the production of a component can be improved even further, since the temperature can also be taken into account as an influencing variable. In such an embodiment of the invention, the electronic evaluation and control unit is designed such that the movement of the focal spot of the energy beam used, the power of the energy beam, and the power density in the focal spot of the Energy beam and / or the cooling and heating device can be influenced.

Mit der Erfindung bestehen die Möglichkeiten der Erfassung (Messung, Monitoring) von örtlich und zeitlich verteilten Kräften und Spannungen in der Bauplattform während additiver Fertigungsprozesse durchzuführen. Somit wird ermöglicht, die während der additiven Herstellung in das Bauteil eingebrachten und über die Bauplattform aufgenommen Kräfte und Spannungen zu messen und für die Regelung der Prozesssteuerung zu verwenden.With the invention there are the possibilities of detecting (measuring, monitoring) locally and temporally distributed forces and tensions in the construction platform during additive manufacturing processes. This makes it possible to measure the forces and stresses introduced into the component during additive manufacturing and absorbed via the construction platform and to use them for regulating the process control.

Die Vorrichtung umfasst hierbei eine sensorierte Bauplattform (Substratplatte), welche in der Regel aus einer zum additiv verarbeiteten kompatiblen Metall besteht.The device in this case comprises a sensorized construction platform (substrate plate), which as a rule consists of a metal which is compatible with the additive processed.

Mit Hilfe der sensorierten Bauplattform, welche Kräfte/Spannungen und zusätzlich ggf. auch Temperaturen orts- und zeitaufgelöst erfassen kann, wird es möglich,

  1. a) im Sinne eines Prozessmonitorings, im Bauprozess auftretende Höhen und Verteilungen von mechanischen Spannungen zu quantifizieren. Diese Messwerte können bereits während der Herstellung des Bauteils relevante Informationen darstellen, um auf die Qualität und den weiteren Baufortgang des Bauteils Einfluss zu nehmen sowie ggf. Änderungsmaßnahmen daraus abzuleiten. Zum anderen kann am fertig hergestellten Bauteil, welches sich noch auf der Bauplatte befindet (entweder direkt oder verbunden mit Stützstruktur) Rückschlüsse auf die jeweilige Spannungshöhe und Verteilung im Bauteil und damit verbunden ggf. notwendiger thermischer Nachbehandlung (z. B. Spannungsarmglühen) abgeleitet werden. Auch für die Auslegung der Stützstruktur können diese ermittelten Messwerte genutzt werden.
With the help of the sensorized construction platform, which can detect forces / tensions and, if necessary, also temperatures in a location and time-resolved manner,
  1. a) in the sense of process monitoring, to quantify the heights and distributions of mechanical stresses occurring in the construction process. These measured values can already represent relevant information during the manufacture of the component in order to influence the quality and the further construction of the component and to derive change measures from it, if necessary. On the other hand, conclusions can be drawn about the respective stress level and distribution in the component and the associated thermal post-treatment (e.g. stress relief annealing) from the finished component that is still on the building board (either directly or connected with a support structure). These measured values can also be used to design the support structure.

In Kombination mit der Temperaturerfassung kann auch die Effizienz der Wärmeabteilung aus der Prozesszone, dem Bauteil, über ggf. Stützstrukturen in die Bauplatte bewertet werden.

  • b) Zudem ist auch der Abriss von Stützstrukturen und damit einhergehend potentiellen Bauteilfehlern während des Bauprozesses mit dieser Erfindung monitorbar (Spannungssprünge, welche messbar sind).
  • c) im Sinne einer Prozessregelung können die gewonnen ort- und zeitaufgelösten Sensorwerte (Kräfte, Spannungen und/oder Temperaturen) in die Prozessregelung der additiven Herstellung als Sensorglied eingebunden werden. So können wesentliche Prozessparameter, wie beispielsweise eingebrachte Energie (über den Laser- oder Elektronenstrahl) nach gemessener Spannungsverteilung (in Echtzeit) geregelt werden.
In combination with the temperature detection, the efficiency of the heat department from the process zone, the component, can also be evaluated via support structures in the building board.
  • b) In addition, the demolition of support structures and the associated potential component defects during the construction process can also be monitored with this invention (voltage jumps that can be measured).
  • c) In the sense of a process control, the location and time-resolved sensor values (forces, voltages and / or temperatures) can be integrated into the process control of additive manufacturing as a sensor element. In this way, essential process parameters, such as energy introduced (via the laser or electron beam) can be regulated according to the measured voltage distribution (in real time).

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. In den einzelnen Beispielen beschriebenen und den zugehörigen Figuren erkennbaren Merkmale können unabhängig vom jeweiligen Beispiel oder der jeweiligen Figur miteinander kombiniert eingesetzt werden.The invention will be explained in more detail below by way of example. Features described in the individual examples and recognizable in the associated figures can be used in combination with one another independently of the respective example or the respective figure.

Es zeigen:

  • 1 in vier Ansichten ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Sensorarray an der Oberfläche, die der Oberfläche auf der ein Bauteil additiv hergestellt werden soll, abgewandt ist, angeordnet ist;
  • 2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Subsensorarrays, die in einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet sind;
  • 3 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der ein Sensorarray auf der Oberfläche einer Bauplattform angeordnet ist, auf der ein Bauteil additiv hergestellt wird und
  • 4 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei ein Sensorarray so an/in einer Bauplattform angeordnet ist, dass kein direkter Kontakt zu einem Bauteil oder einer Stützstruktur und dem Sensorarray besteht.
Show it:
  • 1 in four views a first example of a device according to the invention, in which a sensor array is arranged on the surface facing away from the surface on which a component is to be produced additively;
  • 2 an example of a device according to the invention with several subsensor arrays, which are arranged in a row and column arrangement;
  • 3 an example of a device according to the invention in which a sensor array is arranged on the surface of a construction platform on which a component is produced additively and
  • 4 a further example of a device according to the invention, in which a sensor array is arranged on / in a construction platform in such a way that there is no direct contact with a component or a support structure and the sensor array.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein flächig ausgebildetes Sensorarray 2 an der unteren Oberfläche der Bauplattform 1 angeordnet und dort vollflächig stoffschlüssig befestigt. Hierbei haben die einzelnen Sensoren, mit denen das Sensorarray 2 gebildet ist, keinen direkten Kontakt mit einer Stützstruktur oder dem Bauteil (beides nicht gezeigt). Das Sensorarray 2 kann dabei wie in 1 gezeigt vollflächig an der Bauplattform 1 montiert sein (geklebt, verschweißt o. ä.) oder auch als einzelne Segmente ausgeführt sein.At the in 1 The example shown is a flat sensor array 2 on the bottom surface of the build platform 1 arranged and fully cohesively attached there. Here, the individual sensors with which the sensor array 2 is formed, no direct contact with a support structure or the component (neither shown). The sensor array 2 can as in 1 shown in full on the construction platform 1 be assembled (glued, welded or similar) or be designed as individual segments.

2 zeigt dazu eine mögliche Ausführungsform mit neun einzelnen Subsensorarrays, die wiederum jeweils mit mehreren einzelnen definiert positionierten Sensoren gebildet sind. Bei beiden Varianten des Ausführungsbeispiels werden die Kräfte, welche durch die (Eigen-)Spannungen vom auf der Bauplattform hergestellten Bauteil hervorgerufen werden, ggf. über eine Stützstruktur oder direkt vom Bauteil auf die Bauplattform abgeleitet werden. Dabei erfassen die mit der Bauplattform verbundenen einzelnen Sensoren des Sensorarrays oder der Subsensorarrays orts- und zeitbezogen die resultierenden Kräfte/Spannungen in der Bauplattform. Somit können Rückschlüsse auf die Spannungsverteilung im Bauteil getroffen und auch quantifiziert werden. Als Ergänzung zur Messung von mechanischen Spannungen kann die Sensorik selbst oder über eine zusätzlich angebrachte Sensorik auch Temperaturen bzw. Temperaturverteilungen ermitteln. Für diesen Fall wird auch die Wärmeleitung von der ggf. vorhandenen Stützstruktur oder direkt dem Bauteil in die Bauplattform orts- und zeitbezogen quantifizierbar. 2 shows a possible embodiment with nine individual subsensor arrays, which in turn are each formed with a plurality of individually defined sensors. In both variants of the exemplary embodiment, the forces which are caused by the (inherent) stresses from the component produced on the construction platform are possibly derived via a support structure or directly from the component onto the construction platform. The individual sensors of the sensor array or the sub-sensor arrays connected to the construction platform record the resulting forces / voltages in the construction platform in relation to location and time. In this way, conclusions can be drawn about the stress distribution in the component and also quantified. In addition to the measurement of mechanical stresses, the sensor system can also determine temperatures or temperature distributions using an additional sensor system. In this case, the heat conduction from the support structure, if any, or directly from the component into the construction platform can be quantified in terms of location and time.

Bei dem in 3 gezeigten Beispiel stehen die einzelnen Sensoren eines Sensorarrays 2 in direktem Kontakt mit einer Stützstruktur und/oder einem Bauteil.At the in 3 The example shown shows the individual sensors of a sensor array 2 in direct contact with a support structure and / or a component.

Auch hier besteht das Sensorarray 2 aus einer Vielzahl einzelner Sensoren, die in einem (symmetrischen) Raster angeordnet sind. Dabei erfolgt der Aufbau der ggf. vorhandenen Stützstruktur oder des Bauteils selbst direkt auf der Oberseite des Sensor-Arrays. Jeder einzelne Sensor kann dabei zeitbezogen die Kraft oder Spannungen messen. Die ortsbezogene Zuordnung der gemessenen Kräfte oder Spannungen erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel durch die bekannte geometrische Anordnung des Sensorarrays 2 mit seinen einzelnen Sensoren und der bekannten Positionierung des darüber hergestellten Bauteils sowie ggf. der vorhandenen Stützstruktur zwischen Bauteil und Sensorarray 2. Die Größe (X, Y) eines einzelnen Sensorelementes bestimmt hierbei das ortsbezogene Auflösungsvermögen in X- und Y-Richtung. Analog dem Beispiel nach 1 kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Sensorik vorteilhafterweise neben Kräften/Spannungen auch Temperaturen mit bevorzugt mehreren Temperatursensoren messen.The sensor array also exists here 2 from a multitude of individual sensors, which are arranged in a (symmetrical) grid. The support structure, if any, or the component itself is built directly on the top of the sensor array. Each individual sensor can measure the force or tension in relation to time. In this exemplary embodiment, the location-related assignment of the measured forces or voltages takes place through the known geometric arrangement of the sensor array 2 with its individual sensors and the known positioning of the component manufactured above it and, if applicable, the existing support structure between the component and the sensor array 2 , The size (X, Y) of an individual sensor element determines the local resolution in the X and Y directions. Analogous to the example 1 In this exemplary embodiment, the sensor system can advantageously measure not only forces / voltages but also temperatures with preferably a plurality of temperature sensors.

Bei dem in 4 gezeigten Beispiel mit segmentierten, einzeln sensorisch erfassbaren Bereichen als Sensorarray 2 besteht zwischen Sensorarray 2 mit seinen einzelnen Sensoren kein direkter Kontakt mit einer Stützstruktur und/oder einem Bauteil.At the in 4 shown example with segmented, individually sensible areas as a sensor array 2 exists between sensor array 2 with its individual sensors no direct contact with a support structure and / or a component.

Zwischen den einzelnen Sensoren des Sensorarrays 2 und einer Stützstruktur und/oder Bauteil ist noch ein dünner Bereich der Bauplattform 1 vorhanden (z. B. wenige zehntel Millimeter bis weniger Millimeter). Die einzelnen Sensoren des Sensorarrays 2 können im Werkstoff der Bauplattform 1 eingebettet oder auch mit einer Schutzschicht überdeckt sein, auf der eine Stützstruktur ausgebildet und/oder ein Bauteil additiv hergestellt werden kann.Between the individual sensors of the sensor array 2 and a support structure and / or component is still a thin area of the build platform 1 available (e.g. a few tenths of a millimeter to a few millimeters). The individual sensors of the sensor array 2 can in the material of the construction platform 1 be embedded or also covered with a protective layer on which a support structure can be formed and / or a component can be produced additively.

Bei allen in den Figuren gezeigten Beispielen sind die Verkabelungen der Sensoren nicht dargestellt.In all examples shown in the figures, the wiring of the sensors is not shown.

Claims (9)

Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen, bei der Bauteile auf einer Bauplattform mit pulverförmigem Werkstoff oder zugeführtem drahtförmigen Werkstoff unter dem Einfluss eines Energiestrahles schichtweise aufgebaut werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem aufzubauenden Bauteil gegenüberliegenden Oberfläche der Bauplattform (1) und/oder auf der Oberfläche der Bauplattform (1) auf der das jeweilige Bauteil aufgebaut ist und/oder innerhalb der Bauplattform (1) ein Sensorarray (2), das zur orts- und zeitaufgelösten Messung mechanischer Spannungen, Kräfte, Momente, Dehnungen oder Verformungen ausgebildet ist, angeordnet und mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist, die zur Erfassung und Auswertung der orts- und zeitaufgelöst erfassten Messsignale ausgebildet ist.Device for the additive manufacturing of three-dimensional components, in which components are built up in layers on a construction platform with powdery material or supplied wire-shaped material under the influence of an energy beam, characterized in that on the surface of the construction platform (1) and / or on the component to be built up the surface of the building platform (1) on which the respective component is built and / or within the building platform (1) a sensor array (2) is arranged, which is designed for location and time-resolved measurement of mechanical stresses, forces, moments, strains or deformations and is connected to an electronic evaluation and control unit, which is designed for recording and evaluating the location and time-resolved measurement signals. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerte- und Steuereinheit zur Beeinflussung der Bewegung des Brennflecks des eingesetzten Energiestrahls, der Leistung des Energiestrahls, der Leistungsdichte im Brennfleck des Energiestrahls und/oder einer Kühl- und Heizeinrichtung ausgebildet ist.Device after Claim 1 , characterized in that the electronic evaluation and control unit is designed to influence the movement of the focal spot of the energy beam used, the power of the energy beam, the power density in the focal spot of the energy beam and / or a cooling and heating device. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der Bauplattform, auf der ein jeweiliges Bauteil hergestellt wird, eine Stützstruktur hergestellt worden ist, auf der das jeweilige Bauteil aufgebaut wird und über die Kräfte und Momente vom jeweiligen Bauteil in die Bauplattform (1) eingeleitet werden.Device after Claim 1 or 2 , characterized in that a support structure has been produced on the surface of the building platform on which a respective component is manufactured and on which the respective component is built and via which forces and moments from the respective component are introduced into the building platform (1). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensorarray (2) mit einer Oberfläche der Bauplattform (1) stoffschlüssig, bevorzugt durch Kleben oder Schweißen verbunden ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one sensor array (2) is integrally connected to a surface of the construction platform (1), preferably by gluing or welding. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Stützstruktur oder dem jeweiligen Bauteil und der Oberfläche der Bauplattform (1), auf der ein Bauteil hergestellt wird und an der ein Sensorarray (2) angeordnet ist, eine Schutz- bzw. Trennschicht ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that between a support structure or the respective component and the surface of the construction platform (1) on which a component is produced and on which a sensor array (2) is arranged, a protective or separating layer is trained. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorarray (2) mit einer Mehrzahl von Einzelsensoren oder Subsensorarrays, die bevorzugt in einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet sind, gebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a sensor array (2) is formed with a plurality of individual sensors or subsensor arrays, which are preferably arranged in a row and column arrangement. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor an der Bauplattform (1) angeordnet oder Bestandteil eines Sensorarrays (2) ist, der an die elektronische Auswerte- und Steuereinheit angeschlossen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one temperature sensor is arranged on the construction platform (1) or is part of a sensor array (2) which is connected to the electronic evaluation and control unit. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Temperatursensoren an einer Bauplattform, bevorzugt in einer Anordnung mit bekannten oder von der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit bestimmbaren Positionen angeordnet sind.Device according to the preceding claim, characterized in that a plurality of temperature sensors are arranged on a construction platform, preferably in an arrangement with known positions or positions which can be determined by the electronic evaluation and control unit. Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerte- und Steuereinheit so ausgebildet ist, dass auch unter Berücksichtigung der erfassten Temperaturmesssignale die Bewegung des Brennflecks des eingesetzten Energiestrahls, die Leistung des Energiestrahls, die Leistungsdichte im Brennfleck des Energiestrahls und/oder die Kühleinrichtung beeinflussbar ist/sind.Device according to one of the two preceding claims, characterized in that the electronic evaluation and control unit is designed such that the movement of the focal spot of the energy beam used, the power of the energy beam, the power density in the focal spot of the energy beam and / or taking into account the temperature measurement signals detected or the cooling device can be influenced.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016081651A1 (en) * 2014-11-18 2016-05-26 Sigma Labs, Inc. Multi-sensor quality inference and control for additive manufacturing processes
WO2016094827A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-16 Velo3D, Inc. Feedback control systems for three-dimensional printing

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016081651A1 (en) * 2014-11-18 2016-05-26 Sigma Labs, Inc. Multi-sensor quality inference and control for additive manufacturing processes
WO2016094827A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-16 Velo3D, Inc. Feedback control systems for three-dimensional printing

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