WO2023046539A1 - Sensoranordnung für eine vorrichtung zur additiven fertigung, vorrichtung zur additiven fertigung und messverfahren - Google Patents

Sensoranordnung für eine vorrichtung zur additiven fertigung, vorrichtung zur additiven fertigung und messverfahren Download PDF

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WO2023046539A1
WO2023046539A1 PCT/EP2022/075442 EP2022075442W WO2023046539A1 WO 2023046539 A1 WO2023046539 A1 WO 2023046539A1 EP 2022075442 W EP2022075442 W EP 2022075442W WO 2023046539 A1 WO2023046539 A1 WO 2023046539A1
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gas
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filter element
sensor arrangement
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PCT/EP2022/075442
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Florian Bayer
Sjoerd Fruijtier
Alois LOHR
Peter Steinberg
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
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Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which building material, preferably comprising a metal powder, is solidified in layers on a building site in a process space by means of irradiating the building material with at least one energy beam, and such a device and a Measuring method with such a sensor arrangement.
  • additive manufacturing processes are becoming increasingly relevant in the manufacture of prototypes and now also in series production.
  • “additive manufacturing processes” are understood to mean those manufacturing processes in which a manufacturing product (hereinafter also referred to as “component”) is usually built up by depositing material (the “construction material”) on the basis of digital 3D design data.
  • the structure is usually, but not necessarily, layered.
  • 3D printing is often used as a synonym for additive manufacturing, the production of models, samples and prototypes with additive manufacturing processes is often referred to as “rapid prototyping", the manufacture of tools as “rapid tooling” and the flexible Production of series components is referred to as “rapid manufacturing”.
  • a key point is the selective hardening of the construction material, with this hardening being achieved in many manufacturing processes with the aid of irradiation with radiant energy, e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such. B. electron beams can be done.
  • radiant energy e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such.
  • B. electron beams can be done.
  • processes that work with irradiation are "selective laser sintering" or “selective laser melting”. In this process, thin layers of a mostly powdered construction material are repeatedly applied one on top of the other.
  • the construction material is selectively hardened in a "welding process" by spatially limited irradiation of the areas that are to belong to the component to be manufactured after production, in which the powder grains of the construction material are partially or partially melted with the help of the energy introduced locally at this point by the radiation be completely melted. After cooling, these powder grains are then solidified together to form a solid.
  • the energy beam is usually guided along hardening tracks over the construction area and the remelting or hardening of the material in the respective layer takes place accordingly in the form of "weld tracks” or “weld beads", so that ultimately there are a large number of such layers formed from weld tracks in the component . In this way, components with very high quality and breaking strength can now be produced.
  • the oxygen content in the process chamber has an impact on the quality of the components.
  • the porosity of metallic components there is a correlation between the porosity of metallic components and the concentration of oxygen in the process chamber. For this reason, for components of the highest quality and strength, the oxygen concentration should be measured in the process chamber during the construction process and should not exceed 1000 ppm, for example.
  • the oxygen concentration (from molecular oxygen) in the process space is measured with an oxygen sensor.
  • an oxygen sensor There are different functional principles. In particular, amperometric sensors and potentiometric sensors should be mentioned here. With potentiometric sensors, a voltage or resistance reflects the oxygen concentration. In amperometric sensors, oxygen molecules are ionized at a cathode and recombine at an anode, producing a current that is proportional to the oxygen concentration. Under certain circumstances, however, the measurement of oxygen can be incorrect, which is mainly due to the cross-sensitivity of the sensor to hydrogen and water molecules. At low oxygen concentrations, these substances can produce erroneous signals in the sensor.
  • sensors based on the amperometric principle exhibit unstable signal behavior due to cross-sensitivity when the oxygen concentration drops to low values of approx. ⁇ 400ppm, e.g. due to moisture or hydrogen accumulation on the sensor.
  • the specified value of 400 ppm is not the desired oxygen concentration in the process room (which is around 0.1%), but the limit below which the measurement signal on the sensor typically becomes unstable.
  • water and hydrogen/oxygen can be generated alternately and this can lead to strongly fluctuating signal characteristics.
  • This object is achieved by a sensor arrangement according to patent claim 1, a device according to patent claim 8, and a measuring method according to patent claim 11.
  • a sensor arrangement according to the invention is used in a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process (“manufacturing device”), in which building material, preferably comprising a metal powder, is solidified on a building site in a process space by means of irradiating the building material with at least one energy beam.
  • the sensor assembly includes the following components:
  • a sensor module designed to detect oxygen molecules in a gas sample entering the sensor module and to generate an electrical sensor signal based on the amount of oxygen molecules
  • a selective filter element designed to filter the gas sample such that at least hydrogen molecules and/or hydrogen ions and/or water molecules and/or hydroxide ions are filtered out of the gas sample.
  • the two components mentioned can be housed on or in a housing, acting together, or separately from one another, in which case the filter element must be attached in such a way that it can filter the gas sample.
  • the sensor module can be arranged in a gas line and the filter element can be attached in such a way that it filters the gas flow through the gas line.
  • the sensor arrangement can also include other components, e.g. elements for holding or attaching the sensor, electronics for processing the measurement signals (e.g. an ADC) or a control device for controlling the measurement operation.
  • a suitable sensor module is known in the prior art.
  • the invention can be used particularly advantageously for sensors that measure amperometrically or potentiometrically, but is also advantageous for other sensors.
  • the sensor modules can be equipped with a reference sensor and/or a reference component capable of carrying out a reference measurement.
  • a reference chamber or the reference volume is integrated in the sensor, with the reference volume being in direct contact with an electrode.
  • the term “reference sensor” also means the "reference component" of a sensor.
  • the reference sensor and/or the reference component comprises an electrochemical reference cell, for example a solid cell (for example, solid cells made of palladium, rhodium, rubidium and the corresponding oxides used) and a reference gas volume for potentiometric sensors.
  • a reference sensor and/or a reference component can also be arranged or designed in such a way that its gas sample is not filtered by the filter element or is filtered by another filter element.
  • a sensor generates its sensor signal depending on the oxygen molecules present in the measuring area.
  • the sensor signal is therefore initially dependent on the quantity of oxygen molecules.
  • the measurement parameters are usually known (e.g. the volume of the gas sample and its pressure)
  • the oxygen concentration can usually be directly inferred from the sensor signal, or the sensor signal is a direct measure of the oxygen concentration.
  • the sensor signal is preferably proportional to the oxygen concentration.
  • the sensor signal can be an analog signal, in particular a voltage or a current, or a digital signal, e.g. a digital numerical value.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the filter element is selective, which means that it does not filter all molecules, but selectively individual molecule types or a group of molecule types.
  • These types of molecules are at least hydrogen molecules and/or hydrogen ions and/or water molecules and/or hydroxide ions. These can cause interference signals in the sensor, which can have a particularly disadvantageous effect at low oxygen concentrations. If these types of molecules are now filtered out of the gas sample, the oxygen concentration only changes insignificantly, since the largest part of the gas sample is formed by the protective gas or inert gas, e.g. argon or nitrogen. In this way, interference components in the sensor signal can be reduced without significantly distorting the meaningfulness of the sensor signal.
  • the protective gas or inert gas e.g. argon or nitrogen.
  • oxygen comes into the process space primarily from leaks in the process space itself.
  • water which escapes from the powder
  • the energy beam e.g. laser radiation
  • hydrogen and oxygen atoms which recombine to generate molecular oxygen and molecular hydrogen.
  • Hydrogen and oxygen can diffuse in the process chamber up to the sensor, bearing in mind that oxygen is more easily picked up by metal condensates. It can therefore be assumed that the ratio of oxygen and hydrogen in the process chamber or on the sensor is not 1:2.
  • the oxygen present in the gas sample in the sensor comes mainly from the leaks in the process chamber and has no chemical relationship to the hydrogen, which mainly arises from the splitting of water or escapes directly from the metal powder.
  • water can also be formed from the reaction between oxygen and hydrogen at the sensor.
  • This reaction is caused by the high temperature at the sensor (the operating temperature should be between 300-700°C to allow the diffusion of the oxygen ions through the ZrC>2 plate).
  • This reaction leads to a reduction in the measured current at the sensor, because oxygen is consumed by this reaction and consequently no longer reaches the cathode.
  • hydrogen can be split into hydrogen ions at the sensor and lead to a current between the electrodes. If the oxygen concentration is significantly greater than the hydrogen concentration, the sensor can reliably measure oxygen. In the opposite case (excess H2), the hydrogen causes instability on the sensor. Hydrogen can be adsorbed by platinum in two different states. In one of these states, the absorption of hydrogen causes an increase in the electrical resistance of platinum, in the other a decrease in electrical resistance. In what condition is the adsorbed hydrogen is primarily dependent on temperature. Due to the high operating temperature of the sensor, hydrogen can switch from one state to another and cause signal instability.
  • water (H2O) can be split into hydrogen anions (H + ) and hydroxide ions (OH-) in the sensor. If at least a minimal concentration of water is present at the sensor (from the material of construction or from the reaction between hydrogen and oxygen), the water will be adsorbed by platinum. The resulting ions behave in the same way as oxygen at the sensor: hydrogen anions (H + ) are reduced at the cathode and hydrogen diffuses into the process chamber, while hydroxide ions (OH') are oxidized at the anode in a similar way to oxygen ions. Due to the oxidation of hydroxide ions, a current is measured on the amperometer as if oxygen were present in the process chamber. This course of reaction is equivalent to the electrolysis of water.
  • the concentration of oxygen is overestimated.
  • water is consumed, moreover, hydrogen is produced in the process chamber, which again leads to an unstable signal due to hydrogen absorption on platinum, or again to consumption of oxygen (due to the reaction between oxygen and hydrogen) and therefore to a reduction in the signal at the sensor or an underestimation of the oxygen concentration.
  • the hydroxide ions can also lead to a current between the electrodes, which is also normally well below the oxygen signal but can also become dominant at low oxygen concentrations and high water concentrations.
  • a device according to the invention (“manufacturing device”) is used for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which building material, preferably comprising a metal powder, is solidified on a building site in a process room by means of irradiating the building material with at least one energy beam.
  • the device includes the following components: - a feed device for applying material layers of construction material to the construction field,
  • an irradiation device in order to selectively solidify building material between the application of two layers of material by irradiation with at least one energy beam
  • the feeding device e.g. an arrangement for layering a metal powder
  • the irradiation device e.g. a laser
  • the special feature lies in the sensor arrangement according to the invention, which allows better measurement of the oxygen concentration.
  • the production device can also have further components such as are usually present for production.
  • the device according to the invention can also have a number of irradiation devices which can be controlled in a correspondingly coordinated manner using control data.
  • the energy beam can be either particle radiation or electromagnetic radiation, such as light or preferably laser radiation.
  • a measuring method according to the invention with a sensor arrangement according to the invention in a device according to the invention comprises the following steps:
  • the gas flow can be generated, for example, by a circulating pump or a pump for blowing in a protective or inert gas. It does not necessarily have to be blown directly onto the sensor module. It is sufficient if gas moves past the sensor, which can be caused by circulation in the process room or by means of an air flow through a line in which the sensor is located.
  • a control or regulation can be easily achieved in that the sensor signal is compared with a limit value, which is the boundary between a represents a desired and an undesired area. As soon as the sensor signal leaves the desired range, an action is taken, eg the gas flow is changed so that the sensor signal moves back into the desired range.
  • the filter element comprises a molecular sieve and/or an adsorbent through which the gas sample is passed before entering the sensor module.
  • Preferred molecular sieves or adsorbents include a zeolite or activated carbon.
  • zeolite with the right pore size (3A) is able to advantageously adsorb hydrogen and water.
  • Catalytic adsorption on suitable other adsorber materials is also possible in particular for the selective purification of working gases from hydrogen.
  • a platinum layer can be used, which the gas sample is guided past before it penetrates into the sensor module. This platinum layer can be in the form of an extended surface or in the form of a surface of granules.
  • the sensor module has (at least) one anode and (at least) one cathode and is in particular an amperometric or potentiometric sensor.
  • the sensor arrangement between the anode and cathode includes a solid electrolyte, in particular zirconium dioxide (ZrÜ2) and that the filter element is arranged in or on the solid electrolyte.
  • the filter element is located in the sensor module between the electrodes and it is preferred that it adsorbs hydroxide ions or converts them to water.
  • a filter element is arranged to filter the gas sample before it enters the sensor module. This can be an additional filter element to the previously mentioned filter element in the sensor module or an alternative filter element. It is preferred that the filter element at least partially surrounds the sensor module or at least its electrodes, or that it is arranged in such a way is that it filters the gas sample in a gas feed line to the sensor module (i.e. filters the feed line to the sensor module).
  • the filter element is formed by an electrode of the sensor module, the electrode material of the electrode being selected such that the conversion of gaseous water into hydrogen ions and hydroxide ions and/or the conversion of molecular hydrogen into hydrogen ions and/or the adsorption of gaseous Water and/or hydrogen is inhibited.
  • the electrode material is preferably selected such that, due to its chemical properties and/or surface properties, it is able to adsorb water and/or hydrogen and thereby prevent water and/or hydrogen from causing an erroneous measurement signal of the oxygen concentration.
  • the inhibition of the conversion of water and/or hydrogen into ions can be given by the chemical and/or the surface properties of the electrode material.
  • the adsorption of water and hydrogen and/or the inhibition of an erroneous measurement signal and/or the inhibition of the conversion of water and/or hydrogen into ions can be prevented by changing the voltage applied to the electrodes during measurement and/or by changing the operating temperature of the sensor module can be achieved and/or amplified.
  • a preferred sensor arrangement includes a control device which is designed to control the operating voltage and/or the operating temperature of the sensor module and/or the operating temperature of the filter element.
  • voltage or temperature are kept in a predetermined range in which ionization, accumulation or storage of gaseous water and/or hydrogen is avoided.
  • a voltage is preferably lowered below a predetermined limit value. It is preferred that the operating voltage of the sensor is reduced by ⁇ 0.8/0.9V down to ⁇ 0.3/0.4V. It is generally preferred to operate the sensor at a temperature between 300-700°C.
  • the filter element preferably includes a temperature controller with which the filter element can be heated and/or cooled. Heating can take place in particular when no manufacturing process is carried out in order to release adsorbed substances and thus clean the filter element. Refrigeration can be used to adjust an adsorption rate.
  • the control device is preferably designed to control or regulate this temperature control of the filter element depending on the sensor signal.
  • a preferred sensor arrangement includes a reference sensor module (whereby this term, as stated above, can also mean a sensor with a reference component), which is preferably operated with a different voltage than the sensor module, in particular a lower voltage.
  • the reference sensor module includes a reference gas as a gas sample in a reference chamber (preferably in the case of a potentiometrically measuring sensor module).
  • the reference sensor module includes a reference measuring cell, preferably a solid cell made of palladium/palladium oxide, for example.
  • This embodiment preferably relates to an amperometrically measuring sensor module.
  • the reference sensor module is arranged in such a way that the gas sample entering the reference sensor module was not filtered by the filter element.
  • the reference sensor module comprises a reference filter element, which differs from the filter element in terms of its material and/or its structure, which filters the gas sample which penetrates into the sensor module.
  • a preferred device includes a gas pump. This means an element with which a gas can be pressurized or gas can be moved. The gas can be moved much better through the filter element to the sensor module with a pressure, since the filter element opposes a flow resistance to the gas flow. When the gas flows through the filter element, those components are then filtered out that would falsify the measurement signal.
  • a pressure difference can be realized, for example, by the filter system of an inert gas circuit.
  • the device is preferably designed in such a way that a gas sample is moved to the sensor arrangement by means of the gas pump, preferably with the gas pump being designed to circulate the gas volume in a process space of the device, to discharge a gas volume from the process space or to pump a gas, in particular an inert gas, into introduce the process space.
  • a preferred device includes tubing.
  • the sensor module of the sensor arrangement is arranged in this pipeline, so that a gas flowing through the pipeline serves as a gas sample for a measurement.
  • the filter element is preferably arranged in the pipeline in such a way that the gas flowing through the pipeline is filtered before it hits the sensor module.
  • a preferred apparatus includes a forced air system connected to the process chamber by tubing.
  • the air circulation system may include a gas pump that can be operated in such a way that a volume of gas can be removed from the process chamber and an inert gas can be introduced into the process chamber.
  • inlet and/or outlet valves can be arranged, which can implement and/or facilitate the gas removal and/or supply.
  • the circulating air system includes a filter system (not to be confused with the filter element of the sensor arrangement) which can clean the volume of gas removed from the process chamber.
  • the sensor assembly is located in a duct connecting the circulating air system to the process chamber, and the filter element is arranged in the duct such that the gas flowing through the duct is filtered before it hits the sensor module.
  • the sensor array is located near the inlet and/or outlet of a pipeline.
  • the gas flow is regulated based on the sensor signal.
  • the gas flow is increased when the sensor signal rises above a predefined threshold or falls below a predefined threshold.
  • the construction process of the device is preferably carried out as a function of the sensor signal. For example, if the oxygen concentration is too high, the manufacturing process is interrupted at least for a predetermined time.
  • the oxygen partial pressure in the sensor module is reduced to a predetermined minimum concentration for a reference measurement.
  • This is preferably done by pumping with a voltage or an oxygen adsorber or by purging the sample gas in a targeted manner.
  • Pumping with a voltage can be done by applying a voltage to the (platinum) electrodes of the sensor module, which can be higher than the operating voltage for measuring the oxygen concentration, for example, whereby these act as an oxygen pump (through the ionization and movement in the electric field). Oxygen from the atmosphere to be measured is conducted through the electrolyte.
  • the voltage applied to the electrodes can be inverted compared to the operating voltage, so that the oxygen content in the reference sensor module is reduced.
  • the sensor arrangement comprises a movement device, by means of which the filter element can be moved from a rest position to a filter position, eg in front of the sensor module (and back). This happens preferentially based on the sensor signal.
  • the filter element is preferably moved into the filter position, for example in front of the sensor element.
  • different filter elements are present, which can be moved into the filter position depending on a state derived from the sensor signal.
  • FIG. 1 shows a schematic view, shown partially in section, of an exemplary embodiment of a device for additive manufacturing with a sensor arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows an example of a sensor arrangement according to the invention with a surrounding filter element
  • FIG. 3 shows an example of a sensor arrangement according to the invention with a built-in filter element
  • FIG. 4 shows another example of a sensor arrangement according to the invention in a pipeline
  • FIG. 5 shows a block diagram of a possible method sequence of a preferred measuring method.
  • laser sintering device 1 for the additive manufacturing of components in the form of a laser sintering or laser melting device 1, it being explicitly pointed out once again that the invention is not limited to laser sintering or laser melting devices.
  • the device is therefore briefly referred to as “laser sintering device” 1 in the following—without any loss of generality.
  • laser sintering device 1 is shown schematically in FIG.
  • the device has a process chamber 3 or a process space 3 with a chamber wall 4 in which the manufacturing process essentially takes place.
  • the process chamber 3 there is an upwardly open container 5 with a container wall 6.
  • the upper opening of the container 5 forms the current working level 7.
  • the area of this working level 7 lying within the opening of the container 5 can be used to build the object 2 and is therefore referred to as construction site 8.
  • the container 5 has a base plate 11 movable in a vertical direction, which is arranged on a support 10 .
  • This base plate 11 closes off the container 5 at the bottom and thus forms its bottom.
  • the base plate 11 may be formed integrally with the carrier 10, but it may also be a plate formed separately from the carrier 10 and fixed to the carrier 10 or simply supported thereon.
  • a construction platform 12 can be attached to the base plate 11 as a construction base, on which the object 2 is constructed. In principle, however, the object 2 can also be built on the base plate 11 itself, which then forms the building base.
  • the basic construction of the object 2 takes place by first applying a layer of construction material 13 to the construction platform 12, then using a laser beam AL as an energy beam at the points which are to form parts of the object 2 to be produced, the construction material 13 is selectively solidified, then with the aid of carrier 10, base plate 11, and thus construction platform 12, is lowered and a new layer of construction material 13 is applied and selectively solidified, etc.
  • FIG Intermediate state shown. It already has several solidified layers, surrounded by building material 13 that has remained unsolidified.
  • Various materials can be used as building material 13, preferably powder, in particular metal powder, plastic powder, ceramic powder, sand, filled or mixed powder or pasty materials.
  • the invention has a particularly advantageous effect on metallic structural materials 13 .
  • Fresh construction material 15 is located in a storage container 14 of the laser sintering device 1. With the aid of a device that can be moved in a horizontal direction (double arrow). Coater 16, the construction material can be applied in the working plane 7 or within the construction area 8 in the form of a thin layer.
  • an additional radiant heater 17 in the process chamber 3. can serve to heat the applied build-up material 13, so that the irradiation device used for the selective solidification does not have to introduce too much energy.
  • An infrared radiator, for example, can be used as the radiant heater 17 .
  • the laser sintering device 1 has an irradiation device 20 or specifically an exposure device 20 with a laser 21 .
  • This laser 21 generates a laser beam EL, which is first fed to a beam-shaping device 30 (as an input energy beam EL or input laser beam EL).
  • the beam shaping device 30 can be used to adjust the intensity distribution, i. H. to modify the intensity profile of the energy beam, for example also to superimpose a Gaussian profile on a top-hat profile.
  • the beam shaping device 30 can be controlled with suitable intensity distribution control data VSD.
  • DOE Diffractive Optical Element
  • the (output) energy beam or laser beam AL optionally modified by the beam shaping device is then deflected via a subsequent deflection device 23 (scanner 23) in order to follow the solidification paths (ie exposure paths or tracks) provided according to the exposure strategy in the respective layer to be selectively solidified and selectively bring in the energy. i.e.
  • the impact surface 22 of the energy beam AL is moved on the construction area 8 by means of the scanner 23, with the current movement vector or the movement direction (scanning direction) of the impact surface 22 on the construction area 8 being able to change frequently and quickly.
  • this laser beam AL is suitably focused by a focusing device 24 onto the working plane 7 .
  • the irradiation device 20 is preferably located outside of the process space 3 here, and the laser beam AL is guided into the process space 3 via an in-coupling window 25 mounted in the chamber wall 4 on the upper side of the process space 3 .
  • the irradiation device 20 can, for example, comprise not only one but several lasers. Preferably, this can be gas or solid-state lasers or any other type of laser such.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • VECSEL Very External Cavity Surface Emitting Laser
  • One or more unpolarized single-mode lasers e.g. B. a 3 kW fiber laser with a wavelength of 1070 nm can be used.
  • an optional, preferably movable and/or adjustable nozzle D is arranged in the process chamber 3, which can be used to locally feed a gas or a gas mixture into the area of the impingement surface of the laser beam AL on the construction site 8, in order to thereby to influence the target welding depth.
  • the laser sintering device 1 also contains a detector arrangement 18 which is suitable for detecting process radiation emitted during the impingement of the laser beam AL on the building material in the working plane.
  • This detector arrangement 18 works in a spatially resolved manner, ie it is able to capture a type of emission image of the respective layer.
  • an image sensor or a camera 18 is used as the detector arrangement 18, which is sufficiently sensitive in the area of the emitted radiation.
  • one or more sensors could also be used to detect an optical and/or thermal process radiation, for example photodiodes which detect electromagnetic radiation emitted by a melt pool under the impinging laser beam AL, or temperature sensors for detecting emitted thermal radiation (so-called melt pool monitoring).
  • the detector arrangement 18 is arranged within the process chamber 3 in FIG. However, it could also be located outside of the process chamber 3 and then capture the process radiation through a further window in the process chamber 3 .
  • the signals detected by the detector arrangement 18 can be transferred here as a process space sensor data set or slice image SB to a control device 50 of the laser sintering device 1, which is also used to control the various components of the laser sintering device 1 for the overall control of the additive manufacturing process.
  • control device 50 includes a control unit 51, which controls the components of the irradiation device 20 via a radiation control interface 53, namely here to the laser 21 transmits laser control data LS, to the beam shaping device 30 intensity distribution control data VSD, to the deflection device 23 scan control data SD and to the focusing device 24 focus control data FS sent. All of this data can be referred to as exposure control data BSD.
  • the control unit 51 also controls the radiant heater 17 by means of suitable heating control data HS, the coater 16 by means of coating control data ST and the movement of the carrier 10 by means of carrier control data TSD and thus controls the layer thickness. Furthermore, it also controls the nozzle D with the aid of nozzle control data DS.
  • control device 50 here has a quality data determination device 52, which receives the process space sensor data record SB and determines quality data QD based thereon, which can be transferred to the control unit 51, for example, in order to be able to intervene in the additive manufacturing process in a regulating manner.
  • the control device 50 is here z. B. via a bus 60 or other data connection coupled to a terminal 61 with a display or the like. Over An operator can use this terminal to control the control device 50 and thus the entire laser sintering device 1, e.g. B. by transmission of process control data PSD.
  • a sensor arrangement 9 which measures the oxygen concentration in the process space 3 , is arranged in the process space 3 in the upper right corner.
  • the oxygen concentration in the process space 3 can increase or fluctuate due to the supply of protective gas due to leaks in the gas supply of the process space 3 or due to the splitting of moisture in the construction material 13 by the energy beam AL.
  • the structure of this sensor arrangement 9 is described in more detail below.
  • the sensor arrangement 9 includes a control device 94, which is designed to control the operating voltage and/or operating temperature of the sensor module 90 and/or the operating temperature of the filter element F, so that ionization, accumulation or storage of gaseous water is avoided there.
  • FIG. 2 shows an example of a sensor arrangement 9 according to the invention with a surrounding filter element F, as can be used for a device 1 according to FIG.
  • the sensor arrangement 9 comprises a gas-permeable sensor housing 90 on the outside (which also represents the sensor module 90 here with the components it contains), which is covered by a cover 93 .
  • the sensor arrangement 9 can be attached to the chamber wall 4 of the process chamber 3 on this cover 93 .
  • Lines L of the sensor module 90 can be routed to the outside through a hole in the chamber wall 3 .
  • the cover 93 it is also possible for the cover 93 to be somewhat longer and to be provided with a thread, so that the sensor module 90 can be inserted through a hole in the chamber wall 4 from the outside and screwed in there.
  • the sensor module 90 (or the sensor housing 90) is surrounded by the filter element F on all sides except for the cover 93, so that gas. which enters the sensor module 90 as a gas sample P (see FIG. 5) is filtered.
  • the filter element F is selective and only filters out gaseous water. It can also filter out hydrogen.
  • the functional components of the sensor module 90 are arranged inside the sensor housing 90 . These are the anode A and the cathode K, which are separated by a solid electrolyte E, eg zirconium dioxide, and the heater H for heating the inner chamber 91 in which the cathode K is arranged.
  • This functional structure corresponds to the prior art and is held in place by two fixing elements 92, for example glass wool.
  • the voltages or currents at the electrodes A, K are conducted to the outside by means of the lines L, where they can be further processed.
  • the heater H also has two lines for energy supply, which however are not drawn for the sake of clarity.
  • the filter element F surrounds the entire sensor arrangement in FIG. 2, it can also comprise only part of the sensor module.
  • the filter element F is directly in contact with the sensor module 90 in FIG. 2 , it can also be at least partially in contact with the sensor module 90 .
  • the filter element F and the sensor module 90 can also not be in contact.
  • the filter element F can also be sufficiently close to the sensor module 90 so that the action of the filter element keeps the concentration of gas components that can corrupt the signal from the sensor module 90 low enough.
  • FIG. 3 shows an example of a sensor arrangement 9 according to the invention with a built-in filter element F. Only the functional structure with inner chamber 91, anode A, solid electrolyte E and cathode K is shown here.
  • the filter element F is arranged here on the solid electrolyte E and preferentially filters out hydroxide ions .
  • FIG. 4 shows another example of a sensor arrangement 9 according to the invention in a pipeline R.
  • the sensor module 90 shown in FIG. 2 (the sensor arrangement 9 from FIG. 2 without the surrounding filter element F) can be assumed to be the sensor module 90 .
  • the filter element F is arranged here in the pipeline R and gas which flows through the pipeline R (arrow) must first pass through the filter element F before it hits the sensor module 90 .
  • the pipeline R is connected to a gas pump. With the help of the gas pump, a gas can be pressurized through the pipeline R or gas can be moved through the pipeline R. The gas can be moved much better through the filter element F to the sensor module 90 with a pressure, since the filter element F opposes a flow resistance to the gas flow.
  • the gas pump to which the pipeline R is connected can be designed to circulate a volume of gas in a process chamber of the device, to discharge a volume of gas from the process chamber through the pipeline R or a gas, in particular a Inert gas to be introduced into the process space through the pipeline R.
  • the filter element F and the sensor module 90 are preferably arranged in the pipeline R, with a gas volume being discharged from the process chamber through the pipeline R with the aid of the gas pump.
  • the sensor module 90 and the filter element F are arranged in such a way that the discharged gas volume first acts on the filter element and then penetrates into the sensor module. When the gas flows through the filter element F, those components are then filtered out which would falsify the measurement signal.
  • the pipeline R connects the process chamber to an air circulation system.
  • the circulating air system to which the pipeline R is connected can be designed, preferably with the aid of a gas pump, to discharge a volume of gas from the process chamber through the pipeline R or to introduce a gas, in particular an inert gas, through the pipeline R into the process chamber.
  • the filter element F and the sensor module 90 are preferably arranged in the pipeline R, with a volume of gas being discharged from the process chamber through the pipeline R.
  • the sensor module 90 and the filter element F are arranged in such a way that the discharged gas volume first acts on the filter element and then penetrates into the sensor module. When the gas flows through the filter element F, those components are then filtered out which would falsify the measurement signal.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a possible method sequence of a preferred measuring method with a sensor arrangement 9 as shown, for example, in the preceding figures, in a device 1 as shown, for example, in FIG.
  • step I a gas flow is generated in the process chamber 3 of the device 1, so that a gas sample P impinges on the sensor module 90 through the gas flow.
  • step II a sensor signal S is generated by the sensor module 90 of the sensor arrangement 9 .
  • step III the sensor signal S is used to control or regulate the device 1, with a gas flow in the process chamber 3 being regulated based on the sensor signal S, for example, so that the gas flow is increased when the sensor signal S rises above a predefined threshold.
  • the process is continuously repeated, which is illustrated by a backwards-directed arrow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (9) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Äufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Äufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Sensoranordnung (9) umfassend: - ein Sensormodul (90), dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul (90) eindringenden Gasprobe (P) zu delektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal (S) zu generieren, - ein selektives Filterelement (F), ausgelegt zum Filtern der Gasprobe (P), so dass zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen aus der Gasprobe (P) herausgefiltert werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Fertigungsvorrichtung sowie ein Messverfahren mit einer solchen Sensoranordnung.

Description

SENSORANORDNUNG FÜR EINE VORRICHTUNG ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG, VORRICHTUNG ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG UND MESSVERFAHREN
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird, sowie eine solche Vorrichtung und ein Messverfahren mit einer solchen Sensoranordnung.
Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt (im Folgenden auch „Bauteil“ genannt) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als “Rapid Manufacturing” bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, ist ein Kernpunkt die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht. In jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Nach einer Abkühlung sind diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper verfestigt. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Materials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass der Sauerstoffgehalt in der Prozesskammer einen Einfluss auf die Qualität der Bauteile hat. Insbesondere gibt es dabei eine Korrelation zwischen der Porosität von metallischen Bauteilen und der Konzentration von Sauerstoff in der Prozesskammer. Für Bauteile höchster Qualität und Festigkeit sollte aus diesem Grund die Sauerstoffkonzentration während des Bauprozesses in der Prozesskammer gemessen werden und sollte z.B. nicht über 1000 ppm liegen.
Auch wenn in der Praxis oft in einer Schutzgasatmosphäre im Prozessraum gearbeitet wird, wird diese jedoch in der Regel stets durch Sauerstoff „verunreinigt“. Dies liegt insbesondere daran, dass Sauerstoff durch Undichtigkeiten in das System eindringen kann. Auch wenn der Prozessraum selber oft unter einem leichten Überdruck steht, gibt es im Gesamtsystem in den Zuleitungen bzw. den Filterstellen durchaus Stellen, an denen ein Unterdrück herrschen kann. An diesen Stellen kann z.B. Sauerstoff in das System und durch Gasbewegung auch in den Prozessraum eindringen. Sauerstoff kann aber auch aus Feuchte (Wasserdampf) im System entstehen. In der Regel besteht im Aufbaumaterial eine gewisse Restfeuchte. Diese gelangt durch Verdunstung in den Prozessraum. Im Bereich des Energiestrahls können Wassermoleküle durch dessen hohe Energie und Leistung in Sauerstoff- und Wasserstoffatomen aufgespalten werden, welche dann in Form von molekularem Wasserstoff und Sauerstoff rekombinieren. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Konzentration von atomaren Wasserstoff and atomarem Sauerstoff, welche aus der vom Laser induzierten Aufspaltung von Wasser entstehen, ist es außerdem denkbar, dass atomarer Wasserstoff und atomarer Sauerstoff nicht vollständig rekombinieren und dass aus diesem Grund auch diese atomaren Spezies in der Prozesskammer vorhanden sein können. Insbesondere kann atomarer Wasserstoff die Stabilität einer Messung der Sauerstoffkonzentration negativ beeinflussen, wie unten erläutert.
Die Sauerstoffkonzentration (aus molekularem Sauerstoff) in dem Prozessraum wird mit einem Sauerstoffsensor gemessen. Es gibt dabei verschiedene Funktionsprinzipien. Insbesondere sind hier amperometrische Sensoren und potentiometrische Sensoren zu nennen. Bei potentiometrischen Sensoren gibt eine Spannung bzw. ein Widerstand die Sauerstoffkonzentration wieder. Bei amperometrischen Sensoren werden Sauerstoffmoleküle an einer Kathode ionisiert und rekombinieren an einer Anode, wodurch ein Strom erzeugt wird, der proportional zur Sauerstoffkonzentration ist. Die Messung von Sauerstoff kann unter bestimmten Umständen jedoch fehlerhaft sein, was insbesondere an einer Querempfindlichkeit des Sensors auf Wasserstoff und Wassermoleküle liegt. Diese Stoffe können bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen fehlerhafte Signale im Sensor erzeugen. Diese fehlerhaften Signale sind grundsätzlich Wasser- und Wasserstoffmolekülen zurückzuführen, welche potenziell durch verschiede Mechanismen bzw. chemische Reaktionen das Signal verfälschen können. Sowohl Wasserstoff als auch Wasser können je nach Bestandmaterial von den Elektroden des Sensors adsorbiert werden und dort jeweils in Wasserstoffanionen und -kationen und Hydroxidionen und Wasserstoffanionen aufgespaltet werden. Der adsorbierte Zustand von molekularem Wasserstoff und die entsprechende Aufspaltung in Wasserstoffanionen und -kationen kann je nach Temperatur- und Druckbedingungen den elektrischen Widerstand (und das daraus generierte elektrische Signal) der Elektroden positiv oder negativ beeinflussen. Der gleiche Effekt kann sich auch durch die Absorption von atomarem Wasserstoff ergeben, welcher in der Prozesskammer aus der Aufspaltung von Wasser entstehen kann, wie oben erklärt. Signalinstabilitäten lassen sich also durch die Adsorption von (molekularem oder atomarem) Wasserstoff auf der Elektrodenoberfläche erklären. Darüber hinaus lassen sich die beobachteten Signalunstabilitäten auch durch ein chemisches Gewicht zwischen Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff erklären, das unter den Temperaturbedingungen in der Sensorumgebung und durch die katalytische Wirkung der Sensorelektroden in der Sensorumgebung entsteht.
Insbesondere Sensoren, die auf dem amperometrischem Prinzip basieren, weisen durch die Querempfindlichkeit prinzipbedingt ein instabiles Signalverhalten auf, wenn die Sauerstoffkonzentration auf niedrige Werte von ca. < 400ppm sinkt, z.B. aufgrund einer Feuchte- oder Wasserstoffanreicherung am Sensor. Der angegebene Wert von 400 ppm ist dabei nicht die gewünschte Sauerstoffkonzentration in dem Prozessraum (der bei ca. 0,1 % liegt), sondern die Grenze unter der das Messsignal am Sensor typischerweise instabil wird. Insbesondere kann es bei einer Sauerstoffkonzentration von < 400ppm zu einer wechselseitigen Generierung von Wasser und Wasserstoff/Sauerstoff und dadurch zu einer stark schwankenden Signalcharakteristik kommen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung bzw. eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein stabiles Signalverhalten selbst bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen zeigt, so dass eine additive Fertigung eines Bauteils stets unter definierten Bedingungen stattfinden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß Patentanspruch 1 , eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8, und ein Messverfahren gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung dient einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess („Fertigungsvorrichtung“), in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird. Die Sensoranordnung umfasst die folgenden Komponenten:
- ein Sensormodul, dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul eindringenden Gasprobe zu detektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal zu generieren,
- ein selektives Filterelement, ausgelegt zum Filtern der Gasprobe, so dass zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen aus der Gasprobe herausgefiltert werden.
Die beiden genannten Komponenten können dabei gemeinsam wirkend an bzw. in einem Gehäuse untergebracht sein oder getrennt voneinander, wobei in diesem Falle das Filterelement so angebracht sein muss, dass es die Gasprobe filtern kann. Beispielsweise kann das Sensormodul in einer Gasleitung angeordnet sein und das Filterelement so angebracht sein, dass es den Gasstrom durch die Gasleitung filtert. Selbstverständlich kann die Sensoranordnung noch weitere Komponenten umfassen, z.B. Elemente zur Halterung bzw. Anbringung des Sensors, eine Elektronik zur Verarbeitung der Messsignale (z.B. ein ADC) oder eine Regelvorrichtung zur Regelung des Messbetriebs.
Ein geeignetes Sensormodul ist im Stand der Technik bekannt. Die Erfindung kann besonders vorteilhaft für amperometrisch oder potentiometisch messende Sensoren angewandt werden, ist aber auch für andere Sensoren vorteilhaft. Die Sensormodule können mit einem Referenzsensor und/oder einer Referenzkomponente ausgestattet sein, die in der Lage sind, eine Referenzmessung durchzuführen. Insbesondere bei potentiometrischen Sensoren ist eine Referenzkammer bzw. das Referenzvolumen im Sensor integriert, wobei das Referenzvolumen unmittelbar im Kontakt mit einer Elektrode steht. Im Folgenden ist mit dem Begriff "Referenzsensor" auch die „Referenzkomponente“ eines Sensors gemeint. Bei amperometrisch messenden Sensoren umfasst der Referenzsensor und/oder die Referenzkomponente eine elektrochemische Referenzzelle, z.B. eine Feststoffzelle, (z.B. werden zur Messung Feststoffzellen aus Palladium, Rhodium, Rubidium und den entsprechenden Oxiden verwendet) und bei potentiometrisch messenden Sensoren ein Referenzgasvolumen. Ein Referenzsensor und/oder eine Referenzkomponente kann aber auch so angeordnet oder gestaltet sein, dass dessen Gasprobe nicht von dem Filterelement gefiltert wird bzw. durch ein anderes Filterelement gefiltert wird.
Es sei angemerkt, dass ein Sensor in Abhängigkeit von den im Messbereich vorhandenen Sauerstoffmolekülen sein Sensorsignal generiert. Das Sensorsignal ist damit zunächst von der Menge der Sauerstoffmoleküle abhängig. Da die Messparameter jedoch zumeist bekannt sind (z.B. das Volumen der Gasprobe und deren Druck), kann aus dem Sensorsignal zumeist direkt auf die Sauerstoffkonzentration geschlossen werden, bzw. das Sensorsignal ist direkt ein Maß für die Sauerstoffkonzentration. Bevorzugt ist das Sensorsignal proportional zur Sauerstoffkonzentration.
Das Sensorsignal kann ein analoges Signal sein, insbesondere eine Spannung oder ein Strom, oder ein digitales Signal, z.B. ein digitaler Zahlenwert. Letzteres kann durch Umsetzung eines analogen Signals mittels eines Analog-Digital Converters (ADC) erreicht werden.
Das Filterelement ist selektiv, womit gemeint ist, dass es nicht alle Moleküle filtert, sondern selektiv einzelne Molekül-Arten oder eine Gruppe von Molekül-Arten. Diese Molekül-Arten sind zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen. Diese können Störsignale im Sensor hervorrufen, die sich besonders bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen nachteilhaft auswirken können. Werden nun diese Molekül-Arten aus der Gasprobe herausgefiltert, ändert sich die Sauerstoffkonzentration nur unwesentlich, da der größte Anteil der Gasprobe durch das Schutzgas bzw. Inertgas gebildet wird, z.B. Argon oder Stickstoff. Somit können Störanteile im Sensorsignal reduziert werden, ohne die Aussagekraft des Sensorsignals wesentlich zu verfälschen.
Hierzu sollte beachtet werden, dass insbesondere bei amperometrisch messenden Sensoren Wasser und Wasserstoff zu Störanteilen im Sensorsignal führen. Beispielsweise wird bei einer amperometrischen Nerstzelle eine Spannung an der zwei Platinelektroden angelegt. An der Kathode, die unmittelbar in Kontakt mit der zu messenden Gasprobe steht, werden Sauerstoffmoleküle zu Sauerstoffionen (O2') reduziert. Die Sauerstoffionen diffundieren durch ein Festelektrolyt, z.B. eine ZrO2-Platte, und werden an der Anode oxidiert. Der durch diese Oxidation generierte Strom wird am Amperometer gemessen. Dazu ist eine Referenzmessung notwendig, die z.B. durch eine Pd/PdO Feststoffzelle realisiert wird. Der hier beschriebene Effekt liegt auch bei einem potentiometrischen Sensor vor.
In dem Prozessraum ist aber nicht nur Sauerstoff vorhanden, sondern auch Wasserstoff und Wasser. Wasser entsteht vor allem aus der Feuchte, die unvermeidbar im Pulver enthalten ist. Einige Metallpulver können auch Wasserstoff enthalten, welches während des Bauprozesses entweichen kann. Sauerstoff kommt in dem Prozessraum in erster Linie hauptsächlich von undichten Stellen des Prozessraumes selbst.
In einem ersten Schritt wird Wasser (welches vom Pulver entweicht) durch die Strahlung des Energiestrahls (z.B. Laserstrahlung) in Wasserstoff- und Sauerstoffatome gespalten, welche rekombinieren, um molekularer Sauerstoff und molekularer Wasserstoff zu generieren. Wasserstoff und Sauerstoff können in der Prozesskammer bis zum Sensor diffundieren, wobei zu beachten ist, dass Sauerstoff einfacher von Metallkondensaten aufgenommen wird. Es kann also davon ausgegangen werden, dass Sauerstoff und Wasserstoff in der Prozesskammer bzw. am Sensor nicht im Verhältnis 1 :2 stehen. Wie vorangehend gesagt stammt der in der Gasprobe im Sensor vorhandene Sauerstoff vorwiegend aus den undichten Stellen des Prozessraums und steht in keinem chemischen Verhältnis zum Wasserstoff, der hauptsächlich von der Aufspaltung von Wasser entsteht bzw. direkt vom Metallpulver entweicht.
Wasser kann aber auch aus der Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff am Sensor entstehen. Diese Reaktion wird von der hohen Temperatur am Sensor verursacht (die Betriebstemperatur sollte zwischen 300-700°C liegen, um die Diffusion der Sauerstoffionen durch die ZrC>2-Platte zu erlauben). Diese Reaktion führt zu einer Verminderung des gemessenen Stroms am Sensor, weil Sauerstoff von dieser Reaktion verbraucht wird und dieser daraus folgend nicht mehr zur Kathode gelangt.
Neben Sauerstoff kann Wasserstoff am Sensor zu Wasserstoffionen aufgespalten werden und zu einem Strom zwischen den Elektroden führen. Wenn die Sauerstoffkonzentration deutlich größer als die Wasserstoffkonzentration ist, kann Sauerstoff vom Sensor zuverlässig gemessen werden. Im umgekehrten Fall (H2-Überschuss) verursacht der Wasserstoff eine Instabilität am Sensor. Wasserstoff kann in zwei unterschiedlichen Zuständen von Platin adsorbiert werden. In einem von diesen Zuständen verursacht die Absorption von Wasserstoff eine Vergrößerung des elektrischen Widerstands von Platin, im anderen eine Verminderung des elektrischen Widerstands. In welchem Zustand sich der adsorbierte Wasserstoff befindet, hängt in erster Linie von der Temperatur ab. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur des Sensors kann Wasserstoff von einem Zustand zum anderen wechseln und zu Signalunstabilitäten führen.
Des Weiteren kann im Sensor Wasser (H2O) in Wasserstoffanionen (H+) und Hydroxidionen (OH-) aufgespalten werden. Wenn zumindest eine minimale Konzentration von Wasser am Sensor vorhanden ist (aus dem Aufbaumaterial oder aus der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff), wird das Wasser von Platin adsorbiert. Die entstandenen Ionen verhalten sich analog wie Sauerstoff am Sensor: Wasserstoffanionen (H+) werden an der Kathode reduziert und Wasserstoff diffundiert in die Prozesskammer, während Hydroxidionen (OH') an der Anode ähnlich wie Sauerstoffionen oxidiert werden. Aufgrund der Oxidation von Hydroxidionen wird ein Strom am Amperometer gemessen, als ob Sauerstoff in der Prozesskammer vorhanden wäre. Dieser Reaktionsverlauf ist äquivalent zu der Elektrolyse von Wasser. Die Konzentration von Sauerstoff wird in diesem Fall überschätzt. In dieser Reaktion wird Wasser verbraucht, außerdem entsteht Wasserstoff in der Prozesskammer, was wieder zu einem instabilen Signal aufgrund der Wasserstoff- Absoption auf Platin führt oder wieder zu einem Verbrauch von Sauerstoff (durch die Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff) und deswegen zu einer Verminderung des Signals am Sensor bzw. zu einer Unterschätzung der Sauerstoffkonzentration.
Die Hydroxidionen können auch zu einem Strom zwischen den Elektroden führen, der zwar ebenfalls normalerweise weit unter dem Sauerstoff-Signal liegt, bei geringen Sauerstoffkonzentrationen und hohen Wasserkonzentrationen aber auch dominant werden kann.
Werden nun Wasserstoff und Wasser aus einem Gasvolumen herausgefiltert, welches als Gasprobe in das Sensormodul strömt, dann werden die betreffenden Störanteile im Sensorsignal unterdrückt oder verhindert. Insbesondere wenn sich das Filterelement im Sensormodul zwischen den Elektroden (beim Festelektrolyt) befindet, ist es vorteilhaft, direkt Hydroxidionen herauszufiltern.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) dient zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld in einem Prozessraum Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl verfestigt wird. Die Vorrichtung umfasst die folgenden Komponenten: - eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial auf das Baufeld,
- eine Bestrahlungsvorrichtung, um zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten Aufbaumaterial durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl selektiv zu verfestigen, sowie
- eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.
Die Zuführvorrichtung (z.B. eine Anordnung zum schichtweisen Aufträgen eines Metallpulvers) und die Bestrahlungsvorrichtung (z.B. ein Laser) sind im Stand der Technik bekannt. Die Besonderheit liegt in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die eine bessere Messung der Sauerstoffkonzentration erlaubt. Die Fertigungsvorrichtung kann neben diesen Komponenten noch weitere Komponenten aufweisen, wie sie üblicherweise zur Fertigung vorhanden sind.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die entsprechend koordiniert mit Steuerdaten angesteuert werden können. Lediglich der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z.B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
Ein erfindungsgemäßes Messverfahren mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfasst die folgenden Schritte:
- Erzeugen eines Gasstroms in dem Prozessraum der Vorrichtung, so dass durch den Gasstrom eine Gasprobe auf das Sensormodul trifft,
- Generieren eines Sensorsignals durch das Sensormodul der Sensoranordnung,
- Optional: Verwenden des Sensorsignals zur Steuerung oder Regelung der Vorrichtung.
Der Gasstrom kann z.B. durch eine Umwälzpumpe oder eine Pumpe zum Einblasen eines Schutz- oder Inertgases erzeugt werden. Es muss dabei nicht unbedingt direkt auf das Sensormodul geblasen werden. Es genügt, wenn sich Gas am Sensor vorbei bewegt, was durch eine Umwälzung im Prozessraum geschehen kann oder mittels eines Luftstroms durch eine Leitung, in der der Sensor liegt.
Eine Steuerung bzw. Regelung kann einfach dadurch erreicht werden, dass das Sensorsignal mit einem Grenzwert verglichen wird, der die Grenze zwischen einem erwünschten und einen unerwünschten Bereich darstellt. Sobald das Sensorsignal den erwünschten Bereich verlässt, wird eine Maßnahme in die Wege geleitet, z.B. der Gasstrom geändert, so dass sich das Sensorsignal wieder in den erwünschten Bereich hinein bewegt.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Bei einer bevorzugten Sensoranordnung umfasst das Filterelement ein Molekularsieb und/oder ein Adsorptionsmittel durch welches die Gasprobe geführt wird, bevor sie in das Sensormodul eindringt. Bevorzugte Molekularsiebe bzw. Adsorptionsmittel umfassen ein Zeolith oder Aktivkohle. Insbesondere Zeolith mit der richtigen Porengröße (3A) ist imstande Wasserstoff und Wasser vorteilhaft zu adsorbieren. Zur selektiven Reinigung von Arbeitsgasen von Wasserstoff ist im speziellen auch die katalytische Adsorption an geeigneten anderen Adsorbermaterialien möglich (Molekularsiebe, Aktivkohlen u.ä.). Alternativ oder zusätzlich kann eine Platinschicht verwendet werden, an der die Gasprobe vorbeigeführt wird, bevor sie in das Sensormodul eindringt. Diese Platinschicht kann als ausgedehnte Oberfläche oder in Form einer Oberfläche eines Granulats vorliegen.
Gemäß einer bevorzugten Sensoranordnung weist das Sensormodul (zumindest) eine Anode und (zumindest) eine Kathode auf und ist insbesondere ein amperometrischer oder potentiometrischer Sensor. Es ist dabei bevorzugt, dass die Sensoranordnung zwischen Anode und Kathode ein Festelektrolyt, insbesondere Zirkondioxid (ZrÜ2) umfasst und dass das Filterelement in oder an dem Festelektrolyt angeordnet ist. In diesem Falle befindet sich das Filterelement also im Sensormodul zwischen den Elektroden und es ist bevorzugt, dass es Hydroxidionen adsorbiert oder zu Wasser umbildet.
Bei einer bevorzugten Sensoranordnung ist ein Filterelement so angeordnet, dass es die Gasprobe filtert, bevor sie in das Sensormodul eindringt. Dies kann ein zusätzliches Filterelement zum vorangehend genannten Filterelement im Sensormodul sein oder ein alternatives Filterelement. Es ist dabei bevorzugt, dass das Filterelement das Sensormodul oder zumindest dessen Elektroden zumindest teilweise umgibt oder dass es so angeordnet ist, dass es die Gasprobe in einer Gaszuführung zum Sensormodul filtert (also die Zuleitung zum Sensormodul filtert).
Gemäß einer bevorzugten Sensoranordnung wird das Filterelement durch eine Elektrode des Sensormoduls gebildet, wobei das Elektrodenmaterial der Elektrode so gewählt ist, dass die Umsetzung von gasförmigem Wasser zu Wasserstoffionen und Hydroxidionen und/oder die Umsetzung von molekularem Wasserstoff in Wasserstoffionen und/oder die Adsorption von gasförmigem Wasser und/oder Wasserstoff gehemmt ist. Bevorzugt ist das Elektrodenmaterial so gewählt, dass es aufgrund seiner chemischen Eigenschaften und/oder Oberflächeneigenschaften in der Lage ist, Wasser und/oder Wasserstoff zu adsorbieren und dabei zu hemmen, dass Wasser und/oder Wasserstoff ein fehlerhaftes Messsignal der Sauerstoffkonzentration verursachen. Alternativ oder zusätzlich kann die Hemmung der Umsetzung von Wasser und/oder Wasserstoff in Ionen von den chemischen und/oder den Oberflächeneigenschaften des Elektrodenmaterials gegeben sein. Die Adsorption von Wasser und Wasserstoff und/oder die Hemmung eines fehlerhaften Messsignals und/oder die Hemmung der Umsetzung von Wasser und/oder Wasserstoff in Ionen kann durch die Änderung der während des Messbetriebs an den Elektroden gelegten Spannung und/oder durch eine Änderung der Betriebstemperatur des Sensormoduls erreicht und/oder verstärkt werden.
Eine bevorzugte Sensoranordnung umfasst eine Regelvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls und/oder die Betriebstemperatur des Filterelements zu regeln. Dabei werden Spannung bzw. Temperatur in einem vorgegebenen Bereich gehalten, in dem eine Ionisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigem Wasser und/oder Wassersoff vermieden wird. Eine Spannung wird dabei bevorzugt unter einen vorgegebenen Grenzwert gesenkt. Es ist dabei bevorzugt, dass die Betriebsspannung des Sensors um ±0,8/0,9V bis auf ±0,3/0,4V gesenkt wird. Es ist generell bevorzugt, den Sensor bei einer Temperatur zwischen 300-700°C zu betreiben.
Bevorzugt umfasst das Filterelement eine Temperaturregelung, mit der das Filterelement geheizt und/oder gekühlt werden kann. Eine Heizung kann insbesondere dann erfolgen, wenn kein Fertigungsprozess durchgeführt wird, um adsorbierte Stoffe abzugeben und damit das Filterelement zu reinigen. Eine Kühlung kann zur Einstellung einer Adsorptionsrate verwendet werden. Bevorzugt ist die Regelvorrichtung dazu ausgelegt, diese Temperaturregelung des Filterelements abhängig vom Sensorsignal zu steuern oder zu regeln. Eine bevorzugte Sensoranordnung umfasst ein Referenz-Sensormodul (wobei mit diesem Begriff wie oben gesagt auch ein Sensor mit einer Referenzkomponente gemeint sein kann), welches bevorzugt mit einer anderen Spannung betrieben wird als das Sensormodul, insbesondere einer niedrigeren Spannung. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Referenz-Sensormodul ein Referenzgas als Gasprobe in einer Referenzkammer (bevorzugt bei einem potentiometrisch messenden Sensormodul). Alternativ oder zusätzlich umfasst das Referenz-Sensormodul eine Referenzmesszelle, bevorzugt eine Feststoffzelle z.B. aus Palladium/Palladiumoxid. Diese Ausführungsform betrifft bevorzugt ein amperometrisch messendes Sensormodul. Alternativ oder zusätzlich ist das Referenz-Sensormodul so angeordnet, dass die in das Referenz-Sensormodul eindringende Gasprobe nicht durch das Filterelement gefiltert wurde. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Referenz-Sensormodul ein Referenz-Filterelement, welches sich durch sein Material und/oder seinen Aufbau vom Filterelement unterscheidet, die Gasprobe filtert, die in das Sensormodul eindringt.
Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst eine Gaspumpe. Damit ist ein Element gemeint, mit dem ein Gas mit Druck beaufschlagt werden kann oder Gas bewegt werden kann. Das Gas kann mit einem Druck viel besser durch das Filterelement zum Sensormodul bewegt werden, da das Filterelement dem Gasstrom einen Strömungswiderstand entgegensetzt. Beim Hindurchströmen des Gases durch das Filterelement werden dann jene Komponenten herausgefiltert, welche das Messsignal verfälschen würden. Eine Druckdifferenz kann beispielsweise durch das Filtersystem eines Inertgaskreislaufs realisiert werden. Die Vorrichtung ist bevorzugt so gestaltet, dass eine Gasprobe mittels der Gaspumpe zu der Sensoranordnung bewegt wird, bevorzugt wobei die Gaspumpe dazu ausgelegt ist, das Gasvolumen in einem Prozessraum der Vorrichtung umzuwälzen, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas in den Prozessraum einzuführen.
Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst eine Rohrleitung. Das Sensormodul der Sensoranordnung ist in dieser Rohrleitung angeordnet, so dass ein durch die Rohrleitung strömendes Gas als Gasprobe für eine Messung dient. Bevorzugt ist das Filterelement in der Rohrleitung so angeordnet, dass das durch die Rohrleitung strömende Gas gefiltert wird bevor es auf das Sensormodul trifft.
Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst ein Umluftsystem, das durch Rohrleitungen mit der Prozesskammer verbunden ist. Das Umluftsystem kann eine Gaspumpe umfassen, die derart betrieben werden kann, dass ein Gasvolumen von der Prozesskammer abgeführt werden kann und ein Inertgas in die Prozesskammer eingeführt werden kann. An dem Einlass und/oder Auslass der Rohrleitung, die das Umluftsystem mit der Prozesskammer verbinden, können Einlass und/oder Auslassventile angeordnet sein, die die Gasabführung und/oder -Zuführung realisieren und/oder erleichtern können. Optional umfasst das Umluftsystem eine Filteranlage (die nicht mit dem Filterelement der Sensoranordnung zu verwechseln ist), die das von der Prozesskammer abgeführte Gasvolumen reinigen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Sensoranordnung in einer Rohrleitung, die das Umluftsystem mit der Prozesskammer verbindet und das Filterelement ist in der Rohrleitung so angeordnet, dass das durch die Rohrleitung strömende Gas gefiltert wird, bevor es auf das Sensormodul trifft. Alternativ befindet sich die Sensoranordnung in der Nähe des Einlasses und/oder des Auslasses einer Rohrleitung.
Bei einem bevorzugten Messverfahren wird der Gasstrom basierend auf dem Sensorsignal geregelt. Insbesondere wird dabei der Gasstrom verstärkt, wenn das Sensorsignal über eine vordefinierte Schwelle steigt oder unter eine vordefinierte Schwelle sinkt. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt der Bauprozess der Vorrichtung abhängig vom Sensorsignal durchgeführt. Beispielsweise wird bei einer zu hohen Sauerstoffkonzentration der Fertigungsprozess zumindest für eine vorbestimmte Zeit unterbrochen.
Bei einem bevorzugten Messverfahren wird für eine Referenzmessung der Sauerstoff- Partialdruck im Sensormodul bis zu einer vorgegebenen minimalen Konzentration vermindert. Dies geschieht bevorzugt durch Pumpen mit einer Spannung oder einen Sauerstoffadsorber oder ein gezieltes Spülen des Probegases. Das Pumpen mit einer Spannung kann dadurch erfolgen, dass an den (Platin)elektroden des Sensormoduls eine Spannung, die bspw. höher als die Betriebsspannung für die Messung der Sauerstoffkonzentration sein kann, angelegt wird, wodurch diese als Sauerstoffpumpe fungieren (durch die Ionisierung und Bewegung im elektrischen Feld). Dabei wird Sauerstoff von der zu messenden Atmosphäre durch den Elektrolyten geleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die an den Elektroden angelegten Spannung im Vergleich mit der Betriebsspannung invertiert werden, so dass der Sauerstoffgehalt im Referenz- Sensormodul vermindert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung eine Bewegungsvorrichtung, mittels der das Filterelement von einer Ruheposition in eine Filterposition, z.B. vor das Sensormodul, (und zurück) bewegt werden kann. Dies geschieht bevorzugt basierend auf dem Sensorsignal. Bevorzugt in dem Fall, in dem sich aus dem Sensorsignal ableiten lässt, dass der Sensor außerhalb eines erwünschten Bereichs misst, wird das Filterelement in die Filterposition bewegt, z.B. vor das Sensorelement. Diesbezüglich ist auch der Fall bevorzugt, dass verschiedene Filterelemente vorhanden sind, die je nach von einem vom Sensorsignal abgeleiteten Zustand in die Filterposition bewegt werden können.
Es ist auch bevorzugt, dass mehrere Sensoren vorliegen, die unterschiedliche Filterelemente aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einem umgebenden Filterelement,
Figur 3 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einem eingebauten Filterelement,
Figur 4 ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung in einer Rohrleitung,
Figur 5 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines bevorzugten Messverfahrens.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Lasersintervorrichtung“ 1 bezeichnet. Eine solche Lasersintervorrichtung 1 ist schematisch in Figur 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann mit einem Laserstrahl AL als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11 , somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In Figur 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien. Die Erfindung wirkt sich dabei besonders vorteilhaft auf metallischen Aufbaumaterialien 13 aus.
Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Lasersintervorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung (Doppelpfeil) bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sogar sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler genutzt werden.
Zum selektiven Verfestigen weist die Lasersintervorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl EL, der zunächst einer Strahlformungseinrichtung 30 (als Eingangs- Energiestrahl EL bzw. Eingangs-Laserstrahl EL) zugeführt wird. Die Strahlformungseinrichtung 30 kann wie oben bereits beschrieben dazu genutzt werden, um die Intensitätsverteilung, d. h. das Intensitätsprofil, des Energiestrahls zu modifizieren, zum Beispiel auch, um ein Gaußprofil einem Top-Hat-Profil zu überlagern. Hierzu kann die Strahlformungseinrichtung 30 mit geeigneten Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD angesteuert werden.
Eine bevorzugte Strahlformungseinrichtung 30 kann hierzu z. B. eingangsseitig zunächst einen Strahlteiler in Form eines Dünnschicht-Polarisators aufweisen, welcher den Eingangs-Laserstrahls EL in zwei linear polarisierte Teilstrahlen aufteilt. Jeder dieser linear polarisierten Teilstrahlen kann zu einem eigenen Strahlformungselement geleitet werden. Diese Strahlformungselemente sind für die eigentliche Strahlformung zuständig. Es kann sich hierbei z. B. um sogenannte passive DOEs, (DOE = Diffractive Optical Element) handeln, die reflektiv arbeiten und die Wellenfront des einfallenden Teilstrahls durch lokale Modulation von Phase und/oder Amplitude verändern. Ein Beispiel hierfür wären LCoS- Micro-Displays (LCoS = Liquid Crystal on Silicon), die mit den entsprechenden Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD angesteuert werden können, die von der noch nachfolgend beschriebenen Bestrahlungssteuerschnittstelle 53 der Steuereinrichtung 50 der Lasersintervorrichtung 1 geliefert werden können. Über eine nachfolgende Umlenkvorrichtung 23 (Scanner 23) wird der optional von der Strahlformungseinrichtung modifizierte (Ausgangs-) Energiestrahl bzw. Laserstrahl AL dann umgelenkt, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Verfestigungsbahnen (d. h. Belichtungspfade oder Spuren) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. D. h. mittels des Scanners 23 wird die Auftrefffläche 22 des Energiestrahls AL auf dem Baufeld 8 bewegt, wobei sich der aktuelle Bewegungsvektor bzw. die Bewegungsrichtung (Scanrichtung) der Auftrefffläche 22 auf dem Baufeld 8 häufig und schnell ändern kann. Dabei wird dieser Laserstrahl AL durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb des Prozessraums 3, und der Laserstrahl AL wird über ein an der Oberseite des Prozessraums 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in den Prozessraum 3 geleitet.
Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Prozesskammer 3 eine optionale, vorzugsweise verfahrbare und/oder verstellbare Düse D angeordnet, welche dazu genutzt werden kann, lokal ein Gas oder eine Gasmischung in den Bereich der Auftrefffläche des Laserstrahls AL auf dem Baufeld 8 zuzuführen, um dadurch die Soll-Einschweißtiefe zu beeinflussen.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiterhin eine Detektoranordnung 18, welche dazu geeignet ist, eine während des Auftreffens des Laserstrahls AL auf das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene emittierte Prozessstrahlung zu erfassen. Diese Detektoranordnung 18 arbeitet dabei ortsaufgelöst, d. h. sie ist in der Lage, eine Art Emissionsbild der jeweiligen Schicht zu erfassen. Vorzugsweise wird als Detektoranordnung 18 ein Bildsensor bzw. eine Kamera 18 verwendet, welche im Bereich der emittierten Strahlung ausreichend sensitiv ist. Alternativ oder zusätzlich könnten auch ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung einer optischen und/oder thermischen Prozessstrahlung genutzt werden, z.B. Photodioden, die die von einem Schmelzbad unter auftreffendem Laserstrahl AL emittierte elektromagnetische Strahlung erfassen, oder Temperaturfühler zum Erfassen einer emittierten thermischen Strahlung (sogenanntes Meltpool-Monitoring). Eine Zuordnung des Signals eines selbst nicht ortsauflösenden Sensors zu den Koordinaten wäre möglich, indem die Koordinaten, die für die Ansteuerung des Laserstrahls genutzt werden, dem Sensorsignal jeweils zeitlich zugeordnet werden. In Figur 1 ist die Detektoranordnung 18 innerhalb der Prozesskammer 3 angeordnet. Sie könnte sich aber auch außerhalb der Prozesskammer 3 befinden und die Prozessstrahlung dann durch ein weiteres Fenster in der Prozesskammer 3 erfassen.
Die von der Detektoranordnung 18 erfassten Signale können als Prozessraum-Sensordatensatz bzw. Schichtbild SB hier an eine Steuereinrichtung 50 der Lasersintervorrichtung 1 übergeben werden, welche auch dazu dient, die verschiedenen Komponenten der Lasersintervorrichtung 1 zur gesamten Steuerung des additiven Fertigungsprozesses anzusteuern.
Hierzu umfasst die Steuereinrichtung 50 eine Steuereinheit 51 , welche über eine Bestrahlungssteuerschnittstelle 53 die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20 ansteuert, nämlich hier an den Laser 21 Lasersteuerdaten LS übersendet, an die Strahlformungseinrichtung 30 Intensitätsverteilungssteuerdaten VSD, an die Umlenkvorrichtung 23 Scansteuerdaten SD und an die Fokussiervorrichtung 24 Fokussteuerdaten FS übersendet. Die Gesamtheit dieser Daten kann als Belichtungssteuerdaten BSD bezeichnet werden.
Die Steuereinheit 51 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TSD die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke. Weiterhin steuert sie auch die Düse D mit Hilfe von Düsensteuerdaten DS.
Zusätzlich weist die Steuereinrichtung 50 hier eine Qualitätsdaten-Ermittlungseinrichtung 52 auf, die den Prozessraum-Sensordatensatz SB erhält und darauf basierend Qualitätsdaten QD ermittelt, die beispielsweise an die Steuereinheit 51 übergeben werden können, um regelnd in den additiven Fertigungsprozess eingreifen zu können.
Die Steuereinrichtung 50 ist, hier z. B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 61 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal kann ein Bediener die Steuereinrichtung 50 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z. B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PSD.
Im Prozessraum 3 ist in diesem Beispiel in der rechten oberen Ecke eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 angeordnet, welche die Sauerstoffkonzentration in dem Prozessraum 3 misst. Wie oben ausgeführt, kann durch Undichtigkeiten in der Gaszuführung des Prozessraums 3 oder durch Aufspaltung von Feuchte im Aufbaumaterial 13 durch den Energiestrahl AL die Sauerstoffkonzentration in dem Prozessraum 3 ansteigen bzw. durch die Zuführung von Schutzgas schwanken. Der Aufbau dieser Sensoranordnung 9 wird im Folgenden genauer beschrieben.
Die Sensoranordnung 9 umfasst in diesem Beispiel eine Regelvorrichtung 94, welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls 90 und/oder die Betriebstemperatur des Filterelements F zu regeln, so dass dort eine Ionisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigen Wasser vermieden wird.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 mit einem umgebenden Filterelement F, wie sie für eine Vorrichtung 1 nach Figur 1 verwendet werden kann. Die Sensoranordnung 9 umfasst außen ein gasdurchlässiges Sensorgehäuse 90 (was hier auch mit den enthaltenen Komponenten das Sensormodul 90 repräsentiert), welches von einem Deckel 93 abgedeckt wird. An diesem Deckel 93 kann die Sensoranordnung 9 an der Kammerwandung 4 der Prozesskammer 3 angebracht werden. Durch ein Loch in der Kammerwandung 3 können Leitungen L des Sensormoduls 90 nach außen geführt werden. Es ist aber auch möglich, dass der Deckel 93 etwas länger ausgeführt und mit einem Gewinde versehen ist, so dass das Sensormodul 90 von außen durch ein Loch der Kammerwandung 4 gesteckt und dort eingeschraubt werden kann.
Das Sensormodul 90 (bzw. das Sensorgehäuse 90) ist in diesem Beispiel an allen Seiten bis auf den Deckel 93 vom Filterelement F umgeben, so dass Gas. welches in das Sensormodul 90 als Gasprobe P (s. Figur 5) eintritt, gefiltert wird. Das Filterelement F ist dabei selektiv und filtert hier nur gasförmiges Wasser heraus. Er kann zusätzlich auch noch Wasserstoff herausfiltern.
Innerhalb des Sensorgehäuses 90 sind die funktionalen Komponenten des Sensormoduls 90 angeordnet. Dies sind die Anode A und die Kathode K, welche von einem Festelektrolyt E, z.B. Zirkondioxid, getrennt werden und die Heizung H zum Aufheizen der Innenkammer 91 , in der die Kathode K angeordnet ist. Dieser funktionale Aufbau entspricht dem Stand der Technik und wird durch zwei Fixierelemente 92, z.B. Glaswolle, gehalten. Die Spannungen oder Ströme an den Elektroden A, K werden mittels der Leitungen L nach außen geführt, wo sie weiterverarbeitet werden können. Die Heizung H hat auch zwei Leitungen zur Energieversorgung, die jedoch der Übersicht halber nicht eingezeichnet sind.
Obwohl in Fig. 2 das Filterelement F das gesamte Sensoranordnung umgibt, kann es auch nur ein Teil des Sensormodul umfassen.
Obwohl das Filterelement F in Fig. 2 unmittelbar in Kontakt mit dem Sensormodul 90 ist, kann es auch zumindest teilweise mit dem Sensormodul 90 in Berührung sein. Das Filterelement F und das Sensormodul 90 können auch nicht in Berührung sein. Das Filterelement F kann auch ausreichend nah am Sensormodul 90 sein, damit durch die Wirkung des Filterelements die Konzentration von Gaskomponenten, die Das Signal des Sensormoduls 90 verfälschen können, niedrig genug gehalten wird.
Figur 3 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 mit einem eingebauten Filterelement F. Dargestellt ist hier nur der funktionale Aufbau mit Innenkammer 91 , Anode A, Festelektrolyt E und Kathode K. Das Filterelement F ist hier am Festelektrolyt E angeordnet und filtert bevorzugt Hydroxydionen heraus.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 9 in einer Rohrleitung R. Als Sensormodul 90 kann das in Figur 2 gezeigte Sensormodul 90 (die Sensoranordnung 9 aus Figur 2 ohne umgebendes Filterelement F) angenommen werden. Das Filterelement F ist hier in der Rohrleitung R angeordnet und Gas, welches durch die Rohrleitung R strömt (Pfeil) muss erst das Filterelement F passieren, bevor es auf das Sensormodul 90 trifft. In einer Ausführungsform ist die Rohrleitung R mir einer Gaspumpe verbunden. Mithilfe der Gaspumpe kann durch die Rohrleitung R ein Gas mit Druck beaufschlagt werden kann oder durch die Rohrleitung R kann Gas bewegt werden. Das Gas kann mit einem Druck viel besser durch das Filterelement F zum Sensormodul 90 bewegt werden, da das Filterelement F dem Gasstrom einen Strömungswiderstand entgegensetzt. Beim Hindurchströmen des Gases durch das Filterelement F werden dann jene Komponenten herausgefiltert, welche das Messsignal verfälschen würden. Die Gaspumpe, mit der die Rohrleitung R verbunden ist, kann dazu ausgelegt sein, ein Gasvolumen in einem Prozessraum der Vorrichtung umzuwälzen, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum durch die Rohrleitung R abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas, durch die Rohrleitung R in den Prozessraum einzuführen. Bevorzugt sind das Filterelement F und das Sensormodul 90 in der Rohrleitung R angeordnet, wobei durch die Rohrleitung R ein Gasvolumen aus dem Prozessraum mithilfe der Gaspumpe abgeführt wird. Dabei sind das Sensormodul 90 und das Filterelement F derart angeordnet, dass das abgeführte Gasvolumen zuerst das Filterelement beaufschlagt und dann in das Sensormodul eindringt. Beim Hindurchströmen des Gases durch das Filterelement F werden dann jene Komponenten herausgefiltert, welche das Messsignal verfälschen würden.
In einer weiteren Ausführungsform verbindet die Rohrleitung R die Prozesskammer mit einem Umluftsystem. Das Umluftsystem, mit dem die Rohrleitung R verbunden ist, kann, bevorzugt mithilfe einer Gaspumpe, dazu ausgelegt sein, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum durch die Rohrleitung R abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas, durch die Rohrleitung R in den Prozessraum einzuführen. Bevorzugt sind das Filterelement F und das Sensormodul 90 in der Rohrleitung R angeordnet, wobei durch die Rohrleitung R ein Gasvolumen aus dem Prozessraum abgeführt wird. Dabei sind das Sensormodul 90 und das Filterelement F derart angeordnet, dass das abgeführte Gasvolumen zuerst das Filterelement beaufschlagt und dann in das Sensormodul eindringt. Beim Hindurchströmen des Gases durch das Filterelement F werden dann jene Komponenten herausgefiltert, welche das Messsignal verfälschen würden.
Figur 5 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines bevorzugten Messverfahrens mit einer Sensoranordnung 9 wie z.B. in den vorangehenden Figuren gezeigt sind in einer Vorrichtung 1 wie sie z.B. in Figur 1 gezeigt ist.
In Schritt I wird ein Gasstrom in dem Prozessraum 3 der Vorrichtung 1 erzeugt, so dass durch den Gasstrom eine Gasprobe P auf das Sensormodul 90 trifft.
In Schritt II wird ein Sensorsignal S durch das Sensormodul 90 der Sensoranordnung 9 generiert.
In Schritt III wird das Sensorsignal S zur Steuerung oder Regelung der Vorrichtung 1 verwendet, wobei z.B. ein Gasstrom in der Prozesskammer 3 basierend auf dem Sensorsignal S geregelt wird, so dass der Gasstrom verstärkt wird, wenn das Sensorsignal S über eine vordefinierte Schwelle steigt. Das Verfahren wird dabei stetig wiederholt, was durch einen rückgerichteten Pfeil verdeutlicht wird.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedensterWeise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung
2 Bauteil / Objekt
3 Prozessraum / Prozesskammer
4 Kammerwandung
5 Behälter
6 Behälterwandung
7 Arbeitsebene
8 Baufeld
9 Sensoranordnung
10 Träger
11 Grundplatte
12 Bauplattform
13 Aufbaumaterial (im Behälter 5)
14 Vorratsbehälter
15 Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)
16 Beschichter
17 Strahlungsheizung
18 Sensoranordnung / Kamera
20 Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
21 Laser
22 Auftrefffläche (des Laserstrahls)
23 Umlenkvorrichtung / Scanner
24 Fokussiereinrichtung
25 Einkoppelfenster
30 Strahlformungseinrichtung
50 Steuereinrichtung
51 Steuereinheit
52 Qualitätsdaten-Ermittlungseinrichtung
53 Bestrahlungssteuerschnittstelle
60 Bus
61 Terminal
90 Sensormodul / Sensorgehäuse
91 Innenkammer
92 Fixierelement 93 Deckel
94 Regelvorrichtung
A Anode
AL (Ausgangs-)Energiestrahl / Laserstrahl
BSD Steuerdaten / Belichtungssteuerdaten
D Düse
DS Düsensteuerdaten
E Festelektrolyt
EL Eingangs-Energiestrahl / Laserstrahl
F Filterelement
FS Fokussteuerdaten
H Heizung
HS Heizungssteuerdaten
K Kathode
LS Lasersteuerdaten
P Gasprobe
PSD Prozesssteuerdaten
QD Qualitätsdaten
R Rohrleitung
S Sensorsignal
SB Prozessraum-Sensordatensatz / Schichtbild
SD Scansteuerdaten
Sl Schichtinformationen
SM Schraffur-Segment / Streifen
ST Beschichtungssteuerdaten
TSD Trägersteuerdaten
VSD Intensitätsverteilungssteuerdaten

Claims

24 Patentansprüche
1. Sensoranordnung (9) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Sensoranordnung (9) umfassend:
- ein Sensormodul (90), dazu ausgelegt, Sauerstoffmoleküle in einer in das Sensormodul (90) eindringenden Gasprobe (P) zu detektieren und basierend aus der Menge der Sauerstoffmoleküle ein elektrisches Sensorsignal (S) zu generieren,
- ein selektives Filterelement (F), ausgelegt zum Filtern der Gasprobe (P), so dass zumindest Wasserstoffmoleküle und/oder Wasserstoffionen und/oder Wassermoleküle und/oder Hydroxydionen aus der Gasprobe (P) herausgefiltert werden.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , wobei das Filterelement (F) ein Molekularsieb und/oder ein Adsorptionsmittel umfasst, insbesondere ein Zeolith oder Aktivkohle, durch welches die Gasprobe (P) geführt wird, bevor sie in das Sensormodul (90) eindringt oder eine Platinschicht, an der die Gasprobe (P) vorbei geführt wird, bevor sie in das Sensormodul (90) eindringt.
3. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensormodul (90) eine Anode (A) und eine Kathode (K) aufweist, insbesondere ein amperometrischer oder potentiometrischer Sensor ist, bevorzugt wobei die Sensoranordnung (9) zwischen Anode (A) und Kathode (K) ein Festelektrolyt (E), insbesondere Zirkondioxid umfasst und das Filterelement (F) in oder an dem Festelektrolyt (E) angeordnet ist.
4. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Filterelement (F) so angeordnet ist, dass es die Gasprobe (P) filtert, bevor sie in das Sensormodul (90) eindringt und bevorzugt das Sensormodul (90) oder zumindest dessen Elektroden (A, K) zumindest teilweise umgibt oder so angeordnet ist, dass es die Gasprobe (P) in einer Gaszuführung zum Sensormodul (90) filtert.
5. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (F) durch eine Elektrode (A, K) des Sensormoduls (90) gebildet wird, wobei das Elektrodenmaterial der Elektrode (A, K) so gewählt ist, dass die Umsetzung von gasförmigem Wasser zu Wasserstoffionen und Hydroxid und/oder die Umsetzung von molekularem Wasserstoff in Wasserstoffionen und/oder die Adsorption von gasförmigem Wasser und/oder die Adsorption von Wasserstoff gehemmt ist.
6. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Regelvorrichtung (94), welche dazu ausgelegt ist, Betriebsspannung und/oder Betriebstemperatur des Sensormoduls (90) und/oder die Betriebstemperatur des Filterelements (F) zu regeln, insbesondere auf eine Weise, dass dort eine Ionisation, Anlagerung oder Einlagerung von gasförmigen Wasser vermieden wird, wobei die Spannung bevorzugt unter einen vorgegebenen Grenzwert gesenkt wird.
7. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein Referenz- Sensormodul, welches
- mit einer anderen Spannung betrieben wird als das Sensormodul (90), und/oder
- ein Referenzgas als Gasprobe (P) in einer Referenzkammer umfasst, und/oder
- eine Referenzmesszelle, bevorzugt eine Palladium-/Palladiumoxid-Feststoffzelle, umfasst, und/oder
- andere Elektroden aufweist als das Sensormodul (90) und/oder
- so angeordnet ist, dass die in das Referenz-Sensormodul eindringende Gasprobe (P) nicht durch das Filterelement (F) gefiltert wurde, und/oder
- ein Referenz-Filterelement, welches sich durch sein Material und/oder seinen Aufbau vom Filterelement (F) unterscheidet, die Gasprobe (P) filtert, die in das Sensormodul (90) eindringt.
8. Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem auf einem Baufeld (8) in einem Prozessraum (3) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (AL) verfestigt wird, die Vorrichtung (1) umfassend:
- eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial (13) auf das Baufeld (8),
- eine Bestrahlungsvorrichtung (20), um zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten Aufbaumaterial (13) durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl (AL) selektiv zu verfestigen, sowie
- eine Sensoranordnung (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 umfassend eine Gaspumpe, wobei die Vorrichtung (1) so gestaltet ist, dass eine Gasprobe (P) mittels der Gaspumpe zu der Sensoranordnung (9) bewegt wird, bevorzugt wobei die Gaspumpe dazu ausgelegt ist, das Gasvolumen in einem Prozessraum (3) der Vorrichtung umzuwälzen, ein Gasvolumen aus dem Prozessraum (3) abzuführen oder ein Gas, insbesondere ein Inertgas in den Prozessraum (3) einzuführen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, umfassend eine Rohrleitung (R), wobei das Sensormodul (90) der Sensoranordnung (9) in der Rohrleitung (R) angeordnet ist, so dass durch die Rohrleitung (R) strömendes Gas als Gasprobe (P) für eine Messung dient, wobei das Filterelement (F) bevorzugt in der Rohrleitung (R) so angeordnet ist, dass das durch die Rohrleitung (R) strömende Gas gefiltert wird bevor es auf das Sensormodul (90) trifft.
11. Messverfahren mit einer Sensoranordnung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, umfassend die Schritte:
- Erzeugen eines Gasstroms in dem Prozessraum (3) der Vorrichtung (1), so dass durch den Gasstrom eine Gasprobe (P) auf das Sensormodul (90) trifft,
- Generieren eines Sensorsignals (S) durch das Sensormodul (90) der Sensoranordnung (9),
- Optional: Verwenden des Sensorsignals (S) zur Steuerung oder Regelung der Vorrichtung (1).
12. Messverfahren nach Anspruch 11 , wobei der Fertigungsprozess und/oder der Gasstrom basierend auf dem Sensorsignal (S) geregelt wird, insbesondere wobei der Gasstrom verstärkt wird, wenn das Sensorsignal (S) über eine vordefinierte Schwelle steigt oder unter eine vordefinierte Schwelle sinkt und oder wobei bevorzugt der Bauprozess der Vorrichtung (1) abhängig vom Sensorsignal (S) durchgeführt wird.
13. Messverfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei für eine Referenzmessung der Sauerstoff-Partialdruck im Sensormodul (90) bis zu einer vorgegebenen minimalen Konzentration vermindert wird, bevorzugt durch Pumpen mit einer Spannung oder einen Sauerstoffadsorber oder ein gezieltes Spülen des Probegases.
14. Messverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Filterelement (F) eine Temperaturregelung umfasst, mit der das Filterelement (F) geheizt und/oder gekühlt werden kann, wobei diese Temperaturregelung abhängig vom Sensorsignal (S) zu steuern oder zu regeln.
15. Messverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Sensoranordnung (9) eine Bewegungsvorrichtung umfasst, mittels der das Filterelement (F) von einer Ruheposition in eine Filterposition bewegt werden kann, wobei diese Bewegung basierend auf dem Sensorsignal durchgeführt wird, bevorzugt in dem Fall, in dem sich aus dem Sensorsignal ableiten lässt, dass der Sensor außerhalb eines erwünschten Bereichs misst, wobei bevorzugt verschiedene Filterelemente vorhanden sind, die je nach von einem vom Sensorsignal abgeleiteten Zustand in die Filterposition bewegt werden.
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