Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fer- tigung. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen (Laser Metal Deposition, LMD).

Stand der Technik Laserauftragsschweißen (Laser Metal Deposition, LMD oder Cladding) verwendet einen Laserstrahl und ein Zuführmaterial, um auf einem Werkstück Material aufzutragen. Der Laserstrahl erzeugt auf einer Oberfläche des Werkstücks ein Schmelzbad. Durch eine Düse wird Metallpulver oder Draht eingebracht. Es entstehen miteinander verschweißte Materialbereiche, die Strukturen an bestehenden Werkstücken oder neue Strukturen ergeben.

Es ist bekannt, Beschichtungen und dreidimensionale Schichtstrukturen mittels Laserauftragschweißens zu fertigen. Inzwischen werden auch komplexere dreidimensionale Bauteile mittels Laserauftragschweißens gefertigt. Das Laserauftragschweißen erfordert ein präzises Einstellen einer Vielzahl von Prozessparametern, wobei lediglich in einem kleinen Bereich von Prozessparametern um einen Arbeitspunkt eine zufriedenstellende Fertigung erfolgen kann. Entsprechend besteht derzeit ein hohes Interesse daran, die Prozessparameter beim Laserauftragschweißen geeignet zu einzustellen.

Zur Prozessteuerung und Prozesskontrolle können Messtechniken verwendet werden, um bei- spielsweise den verschweißten bzw. aufgetragenen Materialbereich, die Emissionen aus der Wechselwirkungszone oder das Schmelzbad und dessen Geometrie zu untersuchen. Bekannten Verfahren, wie beispielsweise kamerabasierte Verfahren zur Schmelzbadgeometrieanalyse oder pyrometerbasierte Verfahren zur Temperaturmessung, basieren auf Sekundäremissionen aus dem Wechselwirkungsprozess und können keine oder nur sehr bedingt Aussage über eine absolute Geometrie geben. Die Angabe der Höhe und/oder der vollständigen Geometrie des additiv erzeugten Bauteils bzw. der additiv erzeugten Schweißraupe ist jedoch eine wertvolle Information zur Angabe der Bearbeitungsqualität und/oder für die Prozessführung. Aus der DE 10 2014 219 656 AI ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur von Komponenten wie Gasturbinen-Komponenten, beispielsweise von Lauf- oder Leitschaufeln, bekannt, bei dem subtraktive und additive Verfahrensschritte in einem Hyb- ridverfahren kombiniert werden. Durch online-Monitoring unter Verwendung des oben erwähnten Pyrometers können Prozessparameter wie Konturen, Temperatur, Material und/oder Oberflächenbeschaffenheit geprüft und gesteuert werden.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung bereitzustellen, die eine verbesserte Prozesskontrolle, insbesondere Prozessregelung und/oder Prozessteuerung, bereitstellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Topographie eines verschweißten Materialbereichs an einem Werkstück oder einer generierten Struktur zu bestimmen. Ferner ist es auch Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Fertigungseinrichtung zum Laserauftragschweißen zu schaffen, wobei eine zuverlässige Fertigung insbesondere von dreidimensionalen Bauteilen ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche und die Aspekte dieser Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß einem Aspekt ist eine Vorrichtung zur additiven Fertigung angegeben. Die Vorrich- tung umfasst eine Laservorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, wobei die Laservorrichtung eingerichtet ist, um den Laserstrahl auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks zu richten, wenigstens eine Zuführvorrichtung für ein Zuführmaterial, die eingerichtet ist, um das Zuführmaterial dem Bearbeitungsbereich zuzuführen, und eine Interferometereinheit, die eingerichtet ist, um mit- tels mindestens eines optischen Messstrahls eine Oberfläche des Werkstücks, wie etwa einen Abstand zum Werkstück, bzw. zwischen der Vorrichtung und der Werkstückoberfläche, und/oder eine Topographie der Werkstückoberfläche, zu messen. Gemäß anderen Ausführungsformen ist ein Verfahren zur additiven Fertigung angegeben. Das Verfahren umfasst ein Richten eines Laserstrahls auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks, ein Zuführen eines Zuführmaterials zum Bearbeitungsbereich, und ein Messen einer Oberfläche des Werkstücks, wie etwa Messen eines Abstands zum Werkstück und/oder einer Topographie der Werkstückoberfläche, unter Verwendung einer Interferometereinheit.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen kann der mindestens eine optische Messstrahl statisch bezüglich des Laserstrahls bereitgestellt sein. Alternativ kann der mindestens eine opti- sehe Messstrahl dynamisch, d.h. beweglich, bezüglich des Laserstrahls bereitgestellt sein. Mit anderen Worten kann der optische Messstrahl eine vorgegebene Scanbewegung ausführen bzw. eine Scanfigur abfahren. Die Interferometereinheit kann ein Interferometer zur Bereitstellung eines Referenzstrahls und des optischen Messstrahls umfassen. Weiterhin kann die Interferometereinheit eine Auswertungseinheit zum Auswerten der von dem Interferometer erfassten Daten umfassen. Insbesondere kann die Interferometereinheit ein Interferometer umfassen, das eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl Bewegungen durchführen zu lassen, wie insbesondere lineare oder rotierende Bewegungen, einzeln oder kombiniert. Die vom Messstrahl ausgeführte Scanbewegung kann also kreisförmig oder linear oder auch die Form einer 8 haben. Die lineare Scanbewegung kann parallel zu einer Bearbeitungsrichtung sein oder einen Winkel dazu aufweisen. Der optische Messstrahl kann im Vorlauf und/oder im Nachlauf und/oder durch ein Schmelzbad geführt werden. Zwei oder mehr optische Messstrahlen können abhängig voneinander oder unabhängig voneinander bewegt werden. In einem Beispiel können zwei oder mehr Messtrahlen gemeinsam eine rotierende Bewegung, z.B. um die Strahlachse des Laserstrahls in Bearbeitungsrichtung, ausführen.

Beispielsweise können zwei optische Messstrahlen verwendet werden, einer im Vorlauf und einer im Nachlauf. Der optische Messstrahl kann hierfür in zwei Teilstrahlen aufgespalten sein, die gleichzeitig im Vorlauf und im Nachlauf geführt werden können. Die Teilstrahlen können beweglich vorgesehen sein.

Der mindestens eine optische Messstrahl kann eine oder mehrere der folgenden Wellenlängen umfassen: 1550 nm, 1310 nm, 1080 nm, 1030 nm und 830 nm. Diese Wellenlängen können eine Zentralwellenlänge eines zugehörigen Wellenlängenbereichs des optischen Messstrahls sein.

In bevorzugten Ausführungsformen kann die Interferometereinheit dazu eingerichtet sein, anhand der Abstandsmessung eine Lage der Oberfläche des Werkstücks und/oder eine Topographie der Oberfläche des Werkstücks zu bestimmen.

Weiterhin kann die Interferometereinheit eingerichtet sein, um einen Abstand zum Bearbeitungsbereich und/oder einen Abstand zu einem Bereich des Werkstücks, der benachbart zum Bearbeitungsbereich liegt, zu messen.

Das Interferometer kann ein Kohärenz-Interferometer oder ein Kurzkohärenz-Interferometer umfassen.

Das Interferometer kann eingerichtet sein, um den mindestens einen optischen Messstrahl in einen Strahlengang der Laservorrichtung einzukoppeln. Das Interferometer kann auch einen vom Strahlengang der Laservorrichtung getrennten Strahlengang für den optischen Messstrahl umfassen.

In einem Ausführungsbeispiel kann die wenigstens eine Zuführvorrichtung eingerichtet sein, um ein Pulver oder einen Draht als Zuführmaterial zuzuführen.

Die wenigstens eine Zuführvorrichtung kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die aus einer Ringstrahlpulverdüse, einer Mehrstrahlpulverdüse, und einer Off-Axis-Pulverdüse ausgewählt ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel können der mindestens eine optische Messstrahl und der Laserstrahl koaxial oder im Wesentlichen koaxial sein. Alternativ oder zusätzlich kann der optische Messstrahl aber auch bezüglich des Laserstrahls bzw. bezüglich einer optischen Achse der Laservorrichtung geneigt sein. Das Interferometer kann eingerichtet sein, um den mindestens optischen Messstrahl statisch bezüglich des Laserstrahls bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Interferometer eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl beweglich bezüglich des Laserstrahls bereitzustellen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Steuerung vorgesehen sein, um die Laservorrichtung und/oder die wenigstens eine Zuführvorrichtung basierend auf dem durch die In- terferometereinheit gemessenen Abstand zu steuern. Beispielsweise kann die Steuerung eingerichtet sein, um zumindest eine Prozesseingangsgröße ausgewählt aus Bewegungsrichtung der Vorrichtung bezüglich des Werkstücks, Bewegungsgeschwindigkeit bezüglich des Werkstücks, Pulverstromgeschwindigkeit, Pulvermenge, Pulverzusammensetzung, Pulverzuführrichtung, Drahtzuführrichtung, Drahtvorschubgeschwindigkeit, Arbeitsabstand, Prozessgaszusammensetzung, Prozessgasdruck, La- serfokusdurchmesser, Lage der optischen Achse, Laserfokuslage, Laserpulsweite und Laserleistung zu regeln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Laserauftragsschweißkopf sein oder eine solche umfassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für ein Verfahren für Laser Metal Deposition (LMD) oder Cladding eingerichtet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Verfahren für Laser Metal Deposition (LMD) oder Cladding umfassen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, während der additiven Fertigung, d.h. während des Laserauftragschweißens, zumindest eine physikalische Größe des Fertigungsprozesses aus der Abstandsmessung zu bestimmen, wie z.B. eine Lage und/oder Topographie der Werkstückoberfläche und/oder eine geometrische Größe einer während des Prozesses gefertigten Schweißraupe (auch als Bauteil bezeichnet) und/oder eine davon abgeleitete Größe und/oder eine Höhe einer aufgetragenen Schicht und/oder eine davon abgeleitete Größe. Alternativ kann auch eine oder mehrere zusätzliche physikalische Größen erfasst werden, wie etwa eine Laserleistung und/oder eine Abmessung des Laserfokus und/oder eine Zufuhrgeschwindigkeit eines Zuführmaterials und/oder ein Materialstrom des Zuführmaterials und/oder einer Abmessung bzw. einem Durchmesser eines während des Prozesses entstehenden Schmelzbads und/oder eine Temperatur des Schmelzbads und/oder eine von einer oder mehreren der vorgenannten Größen abgeleitete Größe. Hierfür können entsprechende Erfassungsmittel vorgesehen sein.

Die zumindest eine physikalische Größe kann fortlaufend oder in Zeitabständen von höchstens 100 Millisekunden, vorzugsweise höchstens 20 Millisekunden und zweckmäßig höchstens 5 Millisekunden, vorteilhaft in gleichen Zeitabständen, erfasst bzw. bestimmt werden.

Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein, abhängig von der zumindest einen bestimmten oder erfassten physikalischen Größe und/oder ihrem Verlauf mindestens ein Prozessparameter der additiven Fertigung einzustellen, wie z.B. eine Fokusposition und/oder eine Laserleistung.

Der zumindest eine Prozessparameter kann derart eingestellt werden, dass Abweichungen von einem Modell des Bearbeitungsbereichs bzw. der Schweißraupe und/oder von einem Modell des additiven Fertigungsprozesses unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und/oder minimiert werden, vorzugsweise mittels eines Regelungsverfahrens. Hierfür kann die Vor- richtung eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, den zumindest einen Prozessparameter derart einzustellen, dass Abweichungen von dem Modell unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und vorzugsweise minimiert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum additiven Laserauf - tragschweißen eines Bauteils mittels eines Lasers angegeben, umfassend: Erfassen zumindest einer physikalischen Größe des Schweißprozesses während des Laserauftragschweißens, und Stellen mindestens eines Prozessparameters des Verfahrens abhängig von der zumindest einen erfassten physikalischen Größe und/oder ihrem Verlauf. Unter additivem Laserauftragschweißen wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung zweckmäßig das additive Fertigen von bevorzugt dreidimensionalen Strukturen mittels Laserauftragschweißens verstanden. Unter dem Begriff des Schweißprozesses wird zweckmäßig der Vorgang des Laserauftragsschweißens verstanden.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich ein Bauteil auch bei einer durch Drift oder sonstigen Störeinflüssen bewirkten Änderung von physikalischen Größen des Laserauftragsschweißens präzise fertigen. Die Abweichungen von der Sollgestalt des Bauteils lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geringhalten. Mittels der Anpassung von Prozessparametern aufgrund des Werts oder des Verlaufs der physikalischen Größen kann folglich eine hohe Fertigungsgüte und eine hohe Prozesstreue erreicht werden.

Insbesondere lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch dreidimensionale Schichtstrukturen und Bauteile mittels Laserauftragschweißens fertigen, indem eine Vielzahl von Prozessparametern zur Realisierung der angestrebten Bauteilgeometrie passgenau eingestellt werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine additive Fertigung auch komplexerer Bauteile mit der für die industrielle Anwendung erforderlichen Zuverlässigkeit daher leicht umgesetzt werden.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die physikalische Größe zumindest eine geometrische Größe des während des Schweißprozesses gefertigten Bauteils und/oder eine davon abgeleitete Größe und/oder eine Höhe einer beim Laserauftragschweißen aufgetragenen Schicht und/oder eine davon abgeleitete Größe. Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine geometrische Größe eine Höhe des Bauteils oder der Schicht in Richtung zu einer Strahlrichtung des zum Laserauftragschweißen herangezogenen und auf das Bauteil treffenden Lasers. Zweckmäßig wird zum Laserauftrag- schweißen ein Bearbeitungskopf herangezogen. Vorteilhaft erlaubt dieser Bearbeitungskopf eine Abstandsmessung des Bearbeitungskopfes zum Bauteil, geeigneterweise mittels Kohärenztomographie. Auf diese Weise lässt sich der Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil berührungslos messen. Vorteilhafterweise lässt sich aus dem Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil die Höhe des Bauteils in Richtung auf den Bearbeitungskopf zu leicht ermitteln, soweit die Position des Bearbeitungskopfes zu einer Referenzposition, etwa einer Stelle an einer dem Bearbeitungskopf abgewandten Seite des Bauteils oder einer Stelle eines Substrats, an welchem dieses Seite des Bauteils anliegt, bekannt ist. Zweckmäßig ist die Fertigung seinrichtung eingerichtet, die relative Position des Bearbeitungskopfes zu einer solchen Referenzposition zu erfassen.

Vorzugsweise ist unter einer„Höhe des Bauteils" im Rahmen dieser Erfindung die aktuell an dem Ort des Materialauftrags beim Laserauftragschweißen erreichte Höhe des Bauteils zu verstehen: Wie beim 3D-Drucken an sich bekannt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Laserauftragsschweißen das Bauteil bevorzugt schichtweise gefertigt, indem mehrere Schichten aufeinanderfolgend aufeinander aufgetragen werden. Dazu wird vorzugsweise mithilfe eines CAD-Modells des Bauteils ein CAM-Modell (CAM = (engl.)„Com- puter Aided Manufacturing") generiert, welches eine Fertigung aufeinanderfolgender Schichten des Bauteils mittels Laserauftragschweißens vorsieht. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist daher die aktuelle Höhe des Bauteils durch die in vorhergehenden Fertigungsschritten bereits erreichte Höhe des Bauteils sowie durch die Höhe der aktuell gefertigten Schicht bestimmt. Folglich kann erfindungsgemäß je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens bevorzugt die aktuelle Höhe des Bauteils oder aber alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt die Höhe der aktuell aufgetragenen Schicht als die zumindest eine physikalische Größe herangezogen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin- dung zum Laserauftragschweißen eine Zufuhreinrichtung, insbesondere ein Pulverförderer, für ein Schweißmaterial herangezogen und die zumindest eine physikalische Größe ist zumindest ein Zufuhrstrom oder Materialstrom des Schweißmaterials und/oder eine Zufuhrgeschwindigkeit der Zufuhreinrichtung und/oder eine von einer oder mehreren der vorgenannten Größen abgeleitete Größe. Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Laserauftragschweißen ein Bearbeitungskopf herangezogen, wobei die Zufuhreinrichtung idealerweise im Bearbeitungskopf untergebracht ist. Vorteilhafterweise lässt sich der Materialstrom oder die Zufuhrgeschwindigkeit der Zufuhreinrichtung oder eine abgeleitete Größe im Bearbeitungskopf selbst ermitteln, sodass keine Erfassungsmittel, wie etwa Sensoren, außerhalb des Bearbeitungskopfes herangezogen werden müssen. Folglich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch in beim Laserauftragschweißen typischen rauen Umgebungsbedingungen robust und zuverlässig durchführen. Geeigneter Weise ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die zumindest eine physikalische Größe zumindest eine Leistung des Lasers und/oder eine Abmessung eines Fokus des Lasers und/oder eine von einer oder mehreren der vorgenannten Größen abgeleitete Größe. Vorzugsweise erfolgt in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Laserauftragschweißen mit einem Schmelzbad und die zumindest eine physikalische Größe ist mindestens eine Abmessung des Schmelzbads und/oder eine Temperatur des Schmelzbades und/oder eine davon abgeleitete Größe. Zweckmäßig wird das Schmelzbad mit einer Kamera, insbesondere einer CCD-Kamera, erfasst und mittels Bildverarbeitung die zumindest eine Abmessung des Schmelzbades ermittelt. Es kann auch ein Bearbeitungskopf für das Laserauftragschweißen verwendet werden und die mindestens eine Größe ein Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil und/oder eine davon abgeleitete Größe sein. Vorteilhaft steht die Abmessung des Schmelzbades mit der Temperatur des Schmelzbades derart in Beziehung, dass eine größere Temperatur des Schmelzbades eine größere Abmessung des Schmelzbades bedingt. Folglich ist die zumindest eine Abmessung des Schmelzbades ein Maß für die Temperatur des Schmelzbades.

Zweckmäßig ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der zumindest eine Prozessparameter die Position und/oder der zeitliche Verlauf der Position des Fokus des Lasers relativ zum Bauteil und/oder eine davon abgeleitete Größe. Mittels der Position und/oder des zeitlichen Verlaufs des Fokus des Lasers lässt sich eine Auftragsrate und/oder ein räumliches Auftragsprofil beim Laserauftragschweißen leicht beeinflussen. So besteht beispielsweise beim Laserauftragschweißen eine Tendenz, dass das Schweißmaterial bei einer Beschleunigung des Fokus des Lasers und bei einem Abbremsen des Fokus des Lasers verstärkt oder räumlich heterogen auf dem Bauteil deponiert wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich folglich eine Höhe einer aufgetragenen Schicht oder eine bestimmte Ab Scheidung srate in einem bestimmten Bereich des Bauteils gewissermaßen maßgeschneidert, d.h. genau auf ein vorher festgelegtes geometrischen Modell des zu fertigenden Bauteils abzielend, anpassen.

Geeigneter Weise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Größe fortlaufend, d.h. kontinuierlich, oder in Zeitabständen von höchstens 100 Millisekunden, vorzugsweise höchstens 20 Millisekunden und zweckmäßig höchstens 5 Millisekunden, vorteilhaft in gleichen Zeitabständen, erfasst. Auf diese Weise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine für das Laserauftragschweißen hinreichend kontinuierliche Rückkopplung der zumindest einen Größe gewährleistet, sodass der zumindest eine Prozessparameter ausrei- chend schnell stellbar ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei dem Verfahren der zumindest eine Prozessparameter derart gestellt, dass Abweichungen von einem Modell des Bauteils und/oder des Laserauftragschweißens unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und/oder minimiert werden, vorzugsweise mittels eines Regelungsverfahrens. Folglich lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens das Bauteil geometrisch hochpräzise fertigen. Besonders bevorzugt wird das Bauteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren schichtweise gefertigt. Geeigneterweise wird dabei der zumindest eine Prozessparameter derart gestellt, dass die aktuelle Höhe des Bauteils der in einem Prozessmodell des erfindungsgemäßen Ver- fahrens vorgesehenen aktuellen Höhe des Bauteils entspricht. Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls besonders bevorzugt wird die Höhe der aktuell gefertigten Schicht aus dem Modell des Laserauftragsschweißens, etwa einem CAM-Modell des Laserauftragsschweißens, bestimmt und die Höhe der aktuell gefertigten Schicht innerhalb vorgegebener Grenzen, also nahezu konstant, gehalten.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Regelung unternommen, bei welcher die zumindest eine physikalische Größe eine Regelgröße und der zumindest eine Prozessparameter eine Stellgröße bildet. Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die physikalische Größe die aktuelle Höhe des Bauteils und/oder die Höhe einer aktuell beim Laserauftragschweißen aufgetragenen Schicht.

In einem weiteren Aspekt wird eine Fertigung seinrichtung zum additiven Laserauftragschweißen eines Bauteils mittels eines Lasers angegeben und ist insbesondere zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum additiven Laserauftragschweißen wie oben be- schrieben eingerichtet. Die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung umfasst mindestens ein Erfassungsmittel zum Erfassen zumindest einer physikalischen Größe des Schweißprozesses sowie mindestens ein Stellmittel zur Stellung mindestens eines Prozessparameters abhängig von der zumindest einen erfassten physikalischen Größe und/oder ihrem Verlauf. Die Abhängigkeit der Stellung des zumindest einen Prozessparameters von der erfassten zumindest einen Größe wird zweckmäßig mittels einer Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung gesteuert.

Die Fertigungseinrichtung weist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einen Bearbeitungskopf zum Laserauftragschweißen sowie eine Abstandserfassungseinrichtung auf, welche zur Messung des Abstands des Bearbeitungskopfs vom Bauteil ausgebildet ist und/oder welche einen Kohärenztomographen aufweist oder mit einem solchen optisch verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich der Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil berührungslos messen. Vorteilhaft lässt sich aus dem Abstand des Bearbeitungskopfes vom Bauteil die Höhe des Bauteils in Richtung auf den Bearbeitungskopf zu leicht ermitteln, soweit die Position des Bearbeitungskopfes zu einer Referenzposition wie bereits oben zum erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben bekannt ist. Zweckmäßig ist die Fertigung seinrichtung einge- richtet, die relative Position des Bearbeitungskopfes zu einer solchen Referenzposition zu erfassen.

Die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr pulverförmigen Schweißmaterials zum Laserauftragschweißen, sowie mindestens ein Erfassungsmittel zur Erfassung der Zufuhrgeschwindigkeit und/oder des Materialstroms des Schweißmaterials. Geeigneterweise wird der Materialstrom als Volumenstrom und/oder Massenstrom erfasst. Insbesondere der Volumenstrom lässt sich mit bildgebenden Mitteln leicht erfassen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Fertigung seinrichtung mindestens ein Erfassungsmittel zur Erfassung zumindest einer Abmessung eines beim Laserauftragschweißen entstehenden Schmelzbads und/oder mindestens ein Erfassungsmittel zur Erfassung der Temperatur des Schmelzbads und/oder mindestens ein Erfassungsmittel zur Erfassung der Leistung des Lasers. Vorteilhafterweise ist die Leistung des Lasers eine interne Größe, die beispielsweise über eine bevorzugt vorhandene Steuereinrichtung der Fertigungseinrichtung, insbesondere in Gestalt eines PC- oder CNC-Controllers, erfassbar ist. Zweckmäßig umfasst das Erfassungsmittel zur Erfassung der Temperatur des Schmelzbades ein Erfassungsmittel zur Erfassung zumindest einer Abmessung des Schmelzbades. Denn die Abmessung des Schmelzbades hängt von der Temperatur des Schmelzbades derart ab, dass eine höhere Temperatur des Schmelzbades eine höhere Abmessung des Schmelzbades bedingt. Vorzugsweise umfasst das Erfassungsmittel zur Erfassung der zumindest einen Abmessung zumindest eine CCD-Kamera, welche ein Abbild des Schmelzbades erfasst. Die Abmessung kann nun, etwa mittels einer vorzugsweise vorgesehenen Auswerteeinrichtung, bestimmt werden, sodass daraus die Temperatur, etwa mittels vorab bestimmter Kalibrierdaten, ermittelt werden kann. Geeigneter Weise umfasst bei der erfindungsgemäßen Fertigung seinrichtung das mindestens eine Stellmittel mindestens ein Stellmittel zur Stellung der Position des Fokus des Lasers oder dessen Verlauf und/oder mindestens ein Stellmittel zur Stellung der Leistung des Lasers. Wie bereits oben beschrieben lässt sich insbesondere über eine Beschleunigung des Fokus des Lasers die räumliche Materialab Scheidung besonders leicht beeinflussen. Bevorzugt ist das Stellmittel ein relativ zum Bauteil beweglicher, etwa innerhalb einer Ebene oder dreidimensional beweglicher, Bearbeitungskopf der Fertigungseinrichtung.

Zweckmäßig umfasst die Fertigung seinrichtung gemäß der Erfindung eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die eingerichtet ist, den zumindest einen Prozessparameter derart zu stellen, dass Abweichungen von einem Modell des Bauteils oder einem Prozessmodel zum Laserauftragschweißen unterhalb einer Höchstschwelle gehalten werden und vorzugsweise minimiert werden. Folglich bildet in dieser Weiterbildung der Erfindung zumindest ein Teil der vorgesehenen geometrischen Gestalt des Bauteils eine Regelgröße des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bevorzugt umfasst die Fertigung seinrichtung eine Regelung, bei welcher die zumindest eine physikalische Größe eine Regelgröße und der zumindest eine Prozessparameter eine Stellgröße bildet. Es versteht sich von selbst, dass Aspekte der Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden können. Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Beschreibung.

Die Erfindung stellt eine Überwachung und/oder Regelung einer additiven Fertigung mittels Laserstrahlen und einem Zuführmaterial (auch als„Zuführmaterial" oder„Zusatzmaterial" bezeichnet) bereit. Das in Einsatz gebrachte Sensorprinzip ist die Interferometrie zur Abstandsmessung, wie beispielsweise eine optische Kurzkohärenz-Interferometrie. Die Interferometrie kann beispielsweise im Vorlauf des Prozesses zur Bestimmung der Lage der zu bearbeitenden Oberfläche und/oder im Nachlauf zur Messung der resultierenden Topographie des aufgetragenen Materials eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt damit eine online (oder in-situ) Sensortechnik zur exakten Vermessung des Prozessergebnisses in Form einer Geometriemessung bereit, wodurch eine verbesserte Prozesskontrolle, insbesondere eine verbesserte Prozessregelung und/oder Pro- zessteuerung erreicht werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Fol- genden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, Figur 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einem örtlich beweglichen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figuren 3A und B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsfor- men der vorliegenden Offenbarung, Figuren 4A und B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem örtlich beweglichen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, Figuren 5A und B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figuren 6A und B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem örtlich beweglichen optischen Messstrahl gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und

Figur 8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur additiven Herstellung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Figur 9A bis 9C sind schematische Darstellungen für mögliche Führungen des optischen Messstrahls, und Figur 9D ist eine graphische Darstellung einer Messung mittels eines eine lineare Scanbewegung ausführenden optischen Messstrahls im Vor- und Nachlauf des Laserstrahls.

Figur 10 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum 3D-Drucken eines Bauteils schematisch in einer Prinzip skizze.

Figur 11 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung zum 3D-Drucken des Bauteils nach dem Verfahren gemäß Figur 10 schematisch im Längsschnitt. Fig. 12 zeigt einen Teil der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung gemäß Figur 11 zum 3D-Drucken des Bauteils nach dem Verfahren gemäß Figur 10 schematisch im Längsschnitt. Figur 13 zeigt eine Einzelheit der erfindungsgemäßen Fertigung seinrichtung gemäß Figuren 11 und 12 zum 3D-Drucken des Bauteils nach dem Verfahren gemäß Figur 10 schematisch im Längsschnitt. Ausführungsformen der Offenbarung

Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur additiven Fertigung bzw. eine Fertigung seinrichtung zum additiven Laserauftragschweißen mit einem statischen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 100 kann ein Laserauftragsschweißkopf sein. Die Vorrichtung 100 zur additiven Fertigung umfasst eine Laservorrichtung 110 zur Materialbearbeitung mittels eines Bearbeitungsstrahls bzw. Laserstrahls 112 (z.B. einen Laser-Bearbeitungskopf), wobei die Laservorrichtung 110 eingerichtet ist, um den Laserstrahl 112 auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks 10 zu richten, wenigstens eine Zuführvorrichtung 130 für ein Zuführmaterial, die eingerichtet ist, um das Zuführmaterial dem Bearbei- tungsbereich zuzuführen, und eine Interferometereinheit mit einem Interferometer 140, die eingerichtet ist, um mittels eines optischen Messstrahls einen Abstand zum Werkstück 10 zu messen. Die Vorrichtung 100 kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Bewegungsrichtung der Vorrichtung 100 bezüglich des Werkstücks 10 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungsrich- tung eine horizontale Richtung sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Interferometer, wie beispielsweise ein Kurzko- härenz-Interferometer, zur Abstandsmessung verwendet. Die Interferometrie kann beispielsweise im Vorlauf eines LMD-Prozesses zur Bestimmung der Lage der zu bearbeitenden Ober- fläche des Werkstücks und/oder im Nachlauf zur Messung der resultierenden Topographie des aufgetragenen Materials eingesetzt werden. Damit wird eine on-line Sensortechnik zur exakten Vermessung des Prozessergebnisses in Form einer Geometriemessung bereitgestellt, wodurch eine verbesserte Prozesskontrolle und/oder Prozessteuerung bzw. -regelung erreicht werden kann.

Wie beispielhaft in der Figur 1 dargestellt ist, kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl im Wesentlichen statisch bezüglich des Laserstrahls 112 bereitzustellen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und das Interferometer 140 kann eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl dynamisch, d.h. beweglich, bezüglich des Laserstrahls 112 bereitzustellen, wie es beispielsweise in den Figuren 2, 4A, 4B, 6A, 6B und 7 gezeigt ist.

Die Vorrichtung 100 kann gemäß Ausführungsformen für Laserauftragsschweißen (Laser Metal Deposition, LMD) verwendet werden, bei dem der Laserstrahl 112 und das Zuführmaterial eingesetzt werden, um auf dem Werkstück 10 Material aufzutragen. Wie in Figur 1 dargestellt ist, erzeugt der Laserstrahl 112 auf einer Oberfläche des Werkstücks 10 ein Schmelzbad 14. Mittels der Zuführvorrichtung 130, wie beispielsweise einer Düse 132, wird das Zuführmaterial, das beispielsweise ein Metallpulver sein kann, in das Schmelzbad 14 eingebracht. Es entstehen miteinander verschweißte Materialbereiche, die Strukturen, wie beispielsweise eine Schweißraupe 12, an bestehenden Werkstücken ergeben. Ebenso kann die Vorrichtung 100 für das sogenannte High-Speed Cladding eingesetzt werden, bei dem kein Schmelzbad erzeugt wird, sondern das geschmolzene Pulver auf die Werkstückoberfläche trifft und darauf abgelagert wird.

Die Vorrichtung 100, und insbesondere die Laservorrichtung 110, kann eine Fokussieroptik 120 zum Fokussieren des Laserstrahls 112 auf das Werkstück 10 umfassen. Die Fokussierop- tik 120 definiert eine optische Achse. Die Fokussieroptik 120 kann beispielsweise ein optisches System mit fester Brennweite oder mit variabler Brennweite (Zoom) sein. Die Fokussieroptik 120 kann mindestens ein abbildendes optisches Element umfassen, das die optische Achse definiert. Beispielsweise wird ein aus einer Lichtleitfaser der Laservorrichtung 110 austretendes divergentes Laserlichtbündel mittels einer Kollimatoroptik in ein paralleles La- serlichtbündel umgeformt, das von einer Fokussierlinse auf das Werkstück 10 fokussiert wird. Die Interferometereinheit ist eingerichtet, um mittels des optischen Messstrahls, der ein Laserstrahl sein kann, einen Abstand zum Werkstück 10 beispielsweise bezüglich eines durch das Interferometer 140 definierten Referenzpunkts zu messen. Das Interferometer 140 kann ein Kohärenz-Interferometer, und insbesondere ein Kurzkohärenz-Interferometer sein. Die Abstandsmessung mittels eines Interferometers ist bekannt und wird nicht näher erläutert. Insbesondere kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um eine Abstandsänderung zu messen, während die Vorrichtung 100 entlang der Bearbeitungsrichtung 20 und/oder während der Messstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird. Hierdurch kann beispielsweise eine Topographiemessung erfolgen.

Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist die Interferometereinheit eingerichtet, um einen Abstand zum Bearbeitungsbereich zu messen. Beispielsweise kann eine Topographiemessung im Nachlauf zur Bestimmung der Geometrie des durch die Vorrichtung bearbeiteten Bereichs, wie einer Auf- tragsschweißraupe, durchgeführt werden. Die Topographiemessung kann gemäß Ausführungsformen zur Fehlerdetektion und/oder Regelung einer oder mehrerer Prozesseingangsgrößen verwendet werden. Die Prozesseingangsgrößen können z.B. ein Pulverstrom, ein Drahtvorschub, eine Prozessgeschwindigkeit, eine Laserleistung, ein Arbeitsabstand usw. sein.

In manchen Ausführungsformen kann die Interferometereinheit eingerichtet sein, um einen Abstand zu einem Bereich des Werkstücks 10 zu messen, der benachbart zum Bearbeitungsbereich liegt. Der Bereich kann eine unbearbeitete Oberfläche des Werkstücks 10 sein. Beispielsweise kann eine Topographiemessung im Vorlauf (z.B. eine z-Lage der Werkstückober- fläche) als Referenzmessung und/oder zur Prozessführung verwendet werden.

Das Sensorsystem der vorliegenden Offenbarung basiert auf der Interferometrie, wie beispielsweise der Kurzkohärenz-Interferometrie. Hierfür wird von dem Interferometer ein Messstrahl Off-Axis statisch oder beweglich bereitgestellt. Alternativ wird der von dem In- terferometer bereitgestellte Messstrahl in den optischen Strahlengang des Bearbeitungslasers eingekoppelt und koaxial oder nahezu koaxial in die Wechselwirkungszone statisch oder beweglich eingeblendet. In manchen Ausführungsformen kann das Interferometer 140 einen vom Strahlengang der Laservorrichtung 110 getrennten Strahlengang für den optischen Messstrahl umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den opti- sehen Messstrahl bezüglich der optischen Achse der Laservorrichtung 110 verkippt bzw. geneigt auf das Werkstück 10 zu richten. Beispielsweise kann das Interferometer 140 einen vom Strahlengang der Laservorrichtung 110 getrennten Off-Axis Strahlengang für den optischen Messstrahl umfassen, wobei ein schräger Einfall des optischen Messstrahls z.B. im Nachlauf erfolgen kann. Es kann eine Messung der Höhe der Auftragsschweißraupe erfolgen, wobei das Interferometer 140 statisch im Nachlauf positioniert sein kann. In weiteren Ausführungsformen kann eine Messung der Topographie erfolgen, beispielsweise mittels einer 1D oder 2D Oszillation im Nachlauf. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl in einen Strahlengang der Laservorrichtung 110 einzukoppeln. Der optische Messstrahl kann im Wesentlichen koaxial zum Laser- strahl 112 sein. In manchen Ausführungsformen ist die wenigstens eine Zuführvorrichtung 130 eingerichtet, um einen Pulverstrahl als Zuführmaterial auszugeben.

Die Abstandmessung kann durch die Interferometereinheit mittels einem statischen oder beweglichen optischen Messstrahls erfolgen, wie beispielsweise mittels eines um den Bearbei- tungslaser bzw. den Laserstrahl 112 rotierenden oder beliebig bezüglich einer optischen Achse der Laservorrichtung abgelenkten Messstrahls. Hierdurch kann eine Messung der Höhe der Auftragsschweißraupe erfolgen, wobei das Interferometer bzw. der optische Messstrahl statisch im Nachlauf positioniert sein kann (uni-direktional z.B. entlang der Bearbeitungsrichtung 20). In weiteren Ausführungsformen kann eine Messung im Vor- und/oder Nachlauf z.B. der Grundwerkstoff- und/oder Auftragshöhe erfolgen (z.B. statisch positioniert; uni-direktional entlang der Bearbeitungsrichtung 20). Alternativ kann eine Messung der Topographie erfolgen (z.B. rotierend mit Scanner; multi-direktional). Optional kann eine Messung der Pulverdichte erfolgen („Störung" des optischen Messsignals durch den Pulverstrom). Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst die Vorrichtung 100 weiter eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die Laservorrichtung 110 und/oder die wenigstens eine Zuführvorrichtung 130 basierend auf dem durch das Interferometer gemessenen Abstand zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerung kann basierend auf einer im Vorlauf und/oder Nachlauf durchgeführten Interfero- metrie erfolgen. Typischerweise kann eine Prozesskontrolle und/oder Prozessführung basierend auf dem durch das Interferometer gemessenen Abstand erfolgen. Beispielsweise können eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Laserleistung, ein Laserfokus, und/oder Betriebsparameter der Zuführvorrichtung, wie ein Pulverstrom oder ein Drahtvorschub, basierend auf der Interfero- metrie gesteuert bzw. eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Interferometrie zur Qualitätskontrolle des durch die Vorrichtung bearbeiteten Bereichs, wie einer Auftragsschweißraupe, durchgeführt werden.

Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist die wenigstens eine Zuführvorrichtung 130 aus einer Gruppe ausge- wählt, bestehend aus einer Ringstrahlpulverdüse, einer Mehrstrahlpulverdüse, und einer Off- Axis-Pulverdüse. In Figur 1 ist beispielhaft eine Off-Axis-Pulverdüse 132 (auch als„seitliche Pulverdüse" bezeichnet) dargestellt. Die Off-Axis-Pulverdüse 132 ist ein leichtes, einfaches und robustes System, das sich insbesondere durch gute Zugänglichkeit selbst bei schlecht erreichbaren Schweißpositionen auszeichnet.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 200 zur additiven Fertigung mit einem beweglichen optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, wie beispielsweise mit einem rotierenden optischen Messstrahl. In manchen Ausführungsformen kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl beweglich oder dynamisch bezüglich des Laserstrahls 112 bereitzustellen. Insbesondere kann das Interferometer 140 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl um den Laserstrahl 112 zu rotieren. Der optische Messstrahl kann eine zweidimensionale Kontur, wie beispielsweise eine kreisförmige Kontur, auf dem Werkstück 10 abtasten. Hierdurch kann eine Topographiemessung beispielsweise der Auftragsschweißraupe erfolgen. Die Vorrichtung 200, und insbesondere das Interferometer 140, kann einen Antrieb 210 umfassen, der eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl über das Werkstück zu bewegen oder scannen. Typischerweise umfasst das Interferometer 140 eines oder mehrere optische Elemente, wie Linsen, Spiegel oder Keilplatten, die den optischen Messstrahl ablenken, um ihn auf das Werkstück 10 zu richten. Wenigstens ein optisches Element des einen oder der mehreren optischen Elemente kann beweglich sein, um den optischen Messstrahl über das Werkstück 10 zu bewegen oder scannen. Alternativ kann der Antrieb ein mechanischer Antrieb, z.B. ein Rotationsantrieb, sein, der das Interferometer 140 bewegt, um den optischen Messstrahl über das Werkstück 10 zu bewegen oder scannen.

Figuren 3A und B zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 300 bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl 142 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 300 umfasst eine Ringstrahlpulverdüse 330. Insbesondere kann die Ringstrahlpulverdüse 330 eingerichtet sein, um einen Pulverstrahl als Zuführmaterial auszugeben. Der optische Messstrahl 142 kann bezüglich des Laserstrahls 112 im Wesentlichen koaxial oder geneigt sein. Der Pulverstrahl 134 kann auf einen ersten Punkt oder ersten Bereich außerhalb der Ringstrahlpulverdüse 330 gerichtet sein, der am oder oberhalb des Bearbeitungs- bereichs des Werkstücks sein kann. Der Laserstrahl 112 kann auf einen zweiten Punkt (z.B. einen Fokuspunkt) oder zweiten Bereich außerhalb der Ringstrahlpulverdüse 330 gerichtet sein, der am Bearbeitungsbereich sein kann.

Der erste Punkt und der zweite Punkt können überlappen, oder können voneinander bean- standet sein. Wie im Beispiel der Figur 3B gezeigt ist, kann der erste Punkt oder erste Bereich etwa 20 mm außerhalb (z.B. unterhalb) eines Ausgangs der Ringstrahlpulverdüse 330 und/oder eines Ausgangs der Fokussieroptik 120 angeordnet sein. Der zweite Punkt oder zweite Bereich kann etwa 23.5 mm außerhalb (z.B. unterhalb) des Ausgangs der Ringstrahlpulverdüse 330 und/oder des Ausgangs der Fokussieroptik 120 angeordnet sein. Die Zahlen sind lediglich beispielhaft und sollen die in Figur 3B dargestellte Ausführungsform nicht darauf beschränken. Der erste Punkt und der zweite Punkt können vertikal übereinander angeordnet sein. Der optische Messstrahl 142 kann auf einen Punkt oder Bereich des Werkstücks gerichtet sein, der horizontal versetzt zum ersten Punkt und/oder zweiten Punkt ist.

Figuren 4A und B zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 400 bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem beweglichen, z.B. rotierenden, optischen Messstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Die Vorrichtung 400 umfasst die Ringstrahlpulverdüse 330, wie sie unter Bezugnahme auf die Figuren 3A und B beschrieben ist. Der optische Messstrahl ist dynamisch, d.h. örtlich beweglich. Insbesondere kann der optische Messstrahl um den Laserstrahl 112 und/oder die optische Achse der Fokussieroptik 120 rotieren. Der optische Messstrahl kann eine zweidimensionale Kontur 242, wie beispielsweise eine kreisförmige Kontur, auf dem Werkstück 10 abtasten. Hierdurch kann eine Topographiemessung beispielsweise der Auftragsschweißraupe erfolgen. Der optische Messstrahl 142 kann bezüglich des Laserstrahls 112 im Wesent- liehen koaxial oder geneigt sein.

Figuren 5A und B zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 500 bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem statischen optischen Messstrahl 142 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Die Vorrichtung 500 umfasst eine Mehrstrahlpulverdüse 530. Die Mehrstrahlpulverdüse 530 kann wenigstens zwei Pulverdüsen 532 umfassen, die eingerichtet sind, um jeweils einen Pulverstrahl dem Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück zuzuführen. Typischerweise umfasst die Mehrstrahlpulverdüse 530 vier Pulverdüsen 532, die in einem Winkel zueinander ange- ordnet sind.

Wie in Figur 5B gezeigt ist, können die Pulverstrahlen 134 der wenigstens zwei Pulverdüsen 532 auf einen ersten Punkt oder ersten Bereich außerhalb der Mehrstrahlpulverdüse 530 gerichtet sein, der am oder oberhalb des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks sein kann. Der Laserstrahl 112 kann auf einen zweiten Punkt (z.B. einen Fokuspunkt) oder zweiten Bereich außerhalb der Mehrstrahlpulverdüse 530 gerichtet sein, der am Bearbeitungsbereich sein kann. Der optische Messstrahl 142 kann bezüglich des Laserstrahls 112 im Wesentlichen koaxial oder geneigt sein.

Der erste Punkt und der zweite Punkt können überlappen, oder können voneinander beab- standet sein. Wie im Beispiel der Figur 5B gezeigt ist, kann der erste Punkt oder erste Bereich etwa 14 mm außerhalb (z.B. unterhalb) eines Ausgangs der Mehrstrahlpulverdüse 530 und/oder eines Ausgangs der Fokussieroptik 120 angeordnet sein. Der zweite Punkt oder zweite Bereich kann etwa 0.8 mm weiter, also etwa 14.8 mm, außerhalb (z.B. unterhalb) des Ausgangs der Mehrstrahlpulverdüse 530 und/oder des Ausgangs der Fokussieroptik 120 angeord- net sein. Die Zahlen sind lediglich beispielhaft und sollen die in Figur 5B dargestellte Aus- führungsform nicht darauf beschränken. Der erste Punkt und der zweite Punkt können vertikal übereinander angeordnet sein. Der optische Messstrahl 142 kann auf einen Punkt oder Bereich des Werkstücks gerichtet sein, der horizontal versetzt zum ersten Punkt und/oder zweiten Punkt ist.

Figuren 6A und B zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 600 bzw. eines Strahlengangs zur additiven Fertigung mit einem rotierenden optischen Messstrahl gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 600 umfasst die Mehrstrahlpulverdüse 530, wie sie unter Bezugnahme auf die Figuren 5A und B beschrieben ist. Der optische Messstrahl ist dynamisch, d.h. örtlich beweglich. Beispielsweise kann der optische Messstrahl um den Laserstrahl 112 und/oder die optische Achse der Fokussieroptik 120 rotieren oder diesbezüglich abgelenkt eingestrahlt werden. Der optische Messstrahl kann eine zweidimensionale Kontur, wie beispielsweise eine kreisförmige Kontur, auf dem Werkstück 10 abtasten. Hierdurch kann eine Topographiemessung beispielsweise der Auftragsschweißraupe erfolgen. Der optische Messstrahl 142 kann bezüglich des Laserstrahls 112 im Wesentlichen koaxial oder geneigt sein.

Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 700 zur additiven Fertigung gemäß noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 700 kann für ein Drahtauftragsschweißen eingerichtet sein. Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist die wenigstens eine Zuführvorrichtung 730 eingerichtet, um einen Draht 731 als Zuführmaterial auszugeben. Der Draht 731 kann beispielsweise ein Metalldraht sein.

Der optische Messstrahl 742 kann Off-Axis oder im Wesentlichen koaxial zum Laserstrahl bereitgestellt werden. Mit einem Off-Axis Messstrahl, der in einem separaten Strahlengang bereitgestellt wird (z.B. schräger Einfall im Nachlauf) kann eine Messung der Topographie durchgeführt werden, beispielsweise mit einer 1D oder 2D Oszillation im Nachlauf. Bei der strahlkoaxialen Konfiguration kann eine Messung der Höhe der Auftragsschweißraupe erfolgen, wobei das Interferometer 740 statisch im Nachlauf positioniert sein kann (uni-direktional z.B. entlang der Bearbeitungsrichtung). Zudem kann im Falle einer dynamischen bzw. beweglichen Konfiguration eine Messung der Topographie beispielsweise unter Verwendung von wenigstens zwei drehbar gelagerten Keilplatten 744 erfolgen (multi-direktional). Hierbei wird der optische Messstrahl 742 durch die zwei Keilplatten 744 in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Dadurch ist es beispielsweise möglich, jeweils einen der Teilstrahlen im Vorlauf und im Nachlauf zu bewegen, so dass die Topographie in beiden Bereichen simultan erfasst wird.

Figur 8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens 800 zur additiven Herstellung gemäß Ausfüh- rungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren kann unter Verwendung der hier beschriebenen Vorrichtung zur additiven Fertigung implementiert werden.

Das Verfahren umfasst im Schritt 810 ein Lenken eines Laserstrahls auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks und ein Zuführen eines Zuführmaterials zum Bearbeitungsbereich. Das Verfahren umfasst im Schritt 820 weiter ein Messen eines Abstands zum Werkstück unter Verwendung einer Interferometereinheit, die ein Interferometer umfasst.

In Figuren 9A ist eine lineare Scanfigur 144 des optischen Messstrahls 142 dargestellt. Hierbei wird der optische Messstrahl 142 zwischen einer Position im Vorlauf und einer Position im Nachlauf, d.h. parallel zur Bearbeitungsrichtung, hin- und her bewegt und kann dabei die Geometrie bzw. das Profil der Schweißraupe 12 erfassen. Das Messergebnis dieser linearen Scanbewegung 144 ist in Figur 9B dargestellt: Figur 9B zeigt ein Höhenprofil der Schweißraupe 12 entlang der Bearbeitungsrichtung kurz vor und kurz nach dem Bearbeitungspunkt bzw. dem Laserstrahl 112. Figuren 9C und 9D zeigen alternative Scanbewegungen 144: In Figur 9C wird der optische Messstrahl 142 beispielsweise im Kreis um den Bearbeitungspunkt bzw. den Laserstrahl 112 geführt, sodass (sequentiell) im Vor- und Nachlauf gemessen wird. In Figur 9D werden zwei optische Messstrahlen gemeinsam entlang einer Kreisfigur um den Bearbeitungspunkt bzw. den Laserstrahl 112 geführt, sodass im Vorlauf und im Nachlauf gleichzeitig gemessen werden kann. Außerdem kann eine laterale Topographie der Schweißraupe 12 entlang der Scanfigur erfasst werden. Die Scanfigur bzw. Scanbewegung 144 kann in Bearbeitungsrichtung mitgeführt werden.

In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der bzw. können die optischen Messstrahlen 142 mindestens eine der folgenden Zentralwellenlängen aufweisen: 1550 nm, 1310 nm, 1080 nm, 1030 nm und 830 nm. Das weitere in Figur 10 gezeigte erfindungsgemäße Verfahren 1010 zum additiven Laserauftragschweißen ist ein 3D-Druckverfahren, mit welchem eine Schweißraupe bzw. ein Bauteil 1020 mittels Laserauftragschweißens mit einem Lasers 1030 einer in den Figur 11 und 12 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung bzw. Fertigung sein- richtung 1035 gefertigt wird.

Bei dem Verfahren wird eine beabsichtigte Bauteilhöhe aus einem CAD-Modell des Bauteils 1020 abgeleitet und anhand eines CAM-Modells zur Fertigung des Bauteils 1020 eine Schichthöhe 1040 zum Auftrag einer Schicht mittels Laserauftragschweißens bestimmt. Die Schichthöhe 1040 bildet eine Regelgröße des erfindungsgemäßen Verfahrens 1010.

Diese Regelgröße wird einem Controller 1050 übermittelt, welcher aus der beabsichtigten Schichthöhe 1040 einen Satz von Prozessparametern 1060 zum Laserauftragschweißen bestimmt, welche als Stellgrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens 1010 dienen. Die Prozessparameter 1060 umfassen im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Leistung eines Lichts 1065 des Lasers 1030 und eine Position eines Fokus des Lasers 1030 sowie einen Materialstrom eines pulverförmigen Schweißmaterials 1070 durch eine Düse 1080 eines Prozesskopfs 1090 der erfindungsgemäßen Fertigung seinrichtung 1035. Mit diesem Satz von Prozessparametern 1060 wird das Bauteil 1020 mittels Laserauftragschweißens 1095 geschweißt. Beim Laserauftragschweißen 1095 resultiert eine tatsächliche Höhe 1096 der Schicht, welche über den Abstand der Düse 1080 des Prozesskopfs 1090 von dem Bauteil 1020 ermittelt wird. Diese Ermittlung erfolgt mittels eines optischen Kohärenztomographen 1097, mittels welchem ein Messlicht 2100 einer Lichtquelle 2110 des Kohärenztomographen in den Strahlengang 2115 des der Fertigung des Bauteils 1020 beim Laserauftragschweißen 1095 dienenden Lasers 1030 im Prozesskopf 1090 eingekoppelt wird. Dabei werden das Licht des Lasers 1030 sowie das Messlicht 2100 mittels eines teildurchlässi- gen Spiegels 2117 jeweils in Richtung strahlabwärts des Lichts 1065 des Lasers 1030 zur Düse 1080 zusammengeführt und strahlaufwärts des Lichts 1065 des Lasers 1030 von der Düse 1080 getrennt. Das Licht des Lasers 1030 und das Messlicht 2100 fallen spektral nicht zusammen, sodass das Messlicht 2100 weitgehend ungestört durch Anteile des Lichts des Lasers 1030 ausgewertet werden kann. Beim Laserauftragschweißen auftretende Reflexe des Messlichts 2100 der Lichtquelle 21 lOgelangen zurück in den Strahlengang 2115 im Prozesskopf 1090. Im Prozesskopf 1090 werden die Reflexe ausgekoppelt und interferometrisch mit dem ursprünglich in den Prozesskopf 1090 eingespeisten Messlicht 2100 der Lichtquelle 2110 verglichen. Aus diesem Vergleich wird der Abstand erhalten. Der Kohärenztomograph 1097 sowie der im Prozesskopf 1090 enthaltene optische Strahlengang 2115 einschließlich der im Strahlengang 2115 befindlichen optischen Elemente bilden zusammenwirkend einen Abstandssensor. Dieser Abstandssensor ist an sich bekannt und für andere als den hier erläuterten Schweißprozessen, nämlich für das Laserschweißen, als In-Process-Depth-Meter des Unternehmens Precitec GmbH bekannt und in der Druckschrift DE10 102014 011 569 AI beschrieben.

Die Nutzung dieses Abstandssensors erfordert eine Filterung der erhaltenen Ab Stands signale: Denn im Unterschied zur bereits bekannten Nutzung des oben beschriebenen Abstandssensors bei Laserschweißverfahren erfordert die Nutzung des Abstandssensors für das Laserauftragschweißen eine Berücksichtigung des Einflusses von pulverförmigem Schweißmate- rial 1070, welches aus der Düse 1080 heraus gelangt und auf das Bauteil 1020 abgeschieden wird und welches einen Teil des optischen Signals des Abstandssensors blockiert. Denn dieses Schweißmaterial 1070 absorbiert einen großen Teil des Messlichts 2100 der Lichtquelle 2110 des Kohärenztomographen 1097. Die Filterung der Abstandssignale gewährleistet daher die Robustheit des er-findungsgemäßen Verfahrens.

Zur Filterung werden zunächst entlang eines Zeitfensters, vorliegend 20 Millisekunden, in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen 4 Millisekunden, sämtliche er- fassten Abstandswerte buchgehalten. Nachfolgend wird aus diesen erfassten Abstandswerten ein Filterwert bestimmt, welcher auf zeitlich darauffolgende Zeitfenster derselben Zeitdauer von 20 Millisekunden (oder 4 Millisekunden in weiteren Ausführungsbeispielen) angewandt wird. Bei abgestelltem Laser 1030 tritt lediglich einseitige Streuung auf, sodass hier ein Ma- ximalfilter eingesetzt wird, welcher die größten gemessenen Abstandswerte als Maß für den tatsächlichen Abstand herausfiltert. Ergibt eine Analyse der gemessenen Abstandswerte in einem Zeitfenster, dass zweiseitige Streuung auftritt, so wird derjenige Abstandswert herangezogen, welcher die meisten Messdaten auf sich vereinigt, d.h. die Messdaten werden einer Filterung nach dem größten Häufigkeitswert in der Verteilung der Abstandswerte, also einem (engl.)„Mode Filter" unterzogen. Diese Filterung berücksichtigt den Umstand, dass derjenige Abstandswert mit der höchsten Dichte an Messdaten den Abstand zum Schmelzbad zuverlässig angibt.

Aus dem so erhaltenen Abstand wird die tatsächliche Höhe 1096 der mittels Laserauftrag- Schweißens aufgetragenen Schicht erhalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können zudem weitere physikalische Größen des Laserauftragschweißens erfasst werden: So kann zusätzlich die Temperatur eines beim Laserauftragschweißen entstehenden Schmelzbades 2140 bestimmt werden. Dazu wird das Schmelzbad 2140 z.B. mit einer CCD-Kamera 2150 der Fertigungseinrichtung 1035 beobachtet. Zur Beobachtung des Schmelzbades 2140 wird ein Teil des vom Schmelzbad 2140 durch die Düse 1080 in den optischen Strahlengang 2115 des Bearbeitungskopfes 1090 gelangenden Lichts mit einem teildurchlässigen Spiegel 2145 ausgekoppelt und auf die CCD-Kamera 2150 abgebildet. Die CCD-Kamera 2150 ist an eine Auswerteinrichtung 2155 der Fertigungsein- richtung 1035 angeschlossen. Die Auswerteinrichtung 2155 wertet über einen Algorithmus das mit der CCD-Kamera 2150 erfasste Abbild des Schmelzbades 2140 aus und bestimmt einen mittleren Durchmesser des Schmelzbades 2140. Die Auswerteinrichtung 2155 enthält Kalibrierdaten, mittels welchen aus dem mittleren Durchmesser des Schmelzbades 2140 auf die Temperatur des Schmelzbades 2140 geschlossen wird.

Die CCD-Kamera 2150 und die Auswerteinrichtung 2155 sind einstückig handhabbar im Be- arbeitungskopf 1090, d.h. gemeinsam mit dem Bearbeitungskopf 1090 einteilig handhabbar, untergebracht, sodass der Bearbeitungskopf 1090 mit seinem Gehäuse (in Figur 11, 12 und 13 nicht dargestellt) die CCD-Kamera 2150 und die Auswerteinrichtung 2155 vor den beim Laserauftragschweißen vorherrschenden rauen Prozessbedingungen zuverlässig schützt. Zusätzlich kann ein konstant gehaltener Materialstrom des pul verförmigen Schweißmaterials 1070 durch die Düse 1080 erfasst werden. Der Materialstrom wird konstant gehalten, da er eine lange Verzögerungszeit aufweist, welche den Nutzen einer schnellen Prozess-Rückkopp- lung begrenzt. Ein Pulversensor 2160 in einer Pulverzuführleitung 2165 im Bearbeitungskopf 1090 beobachtet den aktuellen Materialstrom des Schweißmaterials 1070 und erfasst diesen als einen Volumenstrom. Die Erfassung des Volumenstroms ermöglicht eine Anpassung des Fertigungsprozesses aufgrund von Änderungen des Volumenstroms des Schweißmaterials 1070 durch Stellung der Prozessparameter 1060. Der im dargestellten Ausführungsbeispiel eingesetzte Pulversensor 2160 ist ein optischer Flussmesser, welcher den Anteil der vom pul- verförmigen Schweißmaterial 1070 eingenommenen Fläche des Querschnitts eines Ausgangs eines Pulverförderers (nicht in der Zeichnung detailliert) ermittelt. Der Pulverförderer ist im Bearbeitungskopf 1090 zur Speisung der Düse 1080 mit Schweißmaterial 1070 angeordnet, sodass das Schweißmaterial 1070 in an sich bekannter Weise zum Laserauftragschweißen an die Düse 1080 gelangt und auf das Bauteil 1020 aufgetragen werden kann. Eine quadratische Funktion des Volumenflusses ist dabei proportional zum Anteil der vom pulverförmigen Schweißmaterial 1070 eingenommenen Fläche des Querschnitts des Ausgangs des Pulverförderers. Der Volumenfluss des Schweißmaterials 1070 wird dabei vom Controller 1050 berücksichtigt, um beim Laserauftragschweißen 1095 die beabsichtigte Geometrie des Bauteils 1020 zutreffend zu realisieren.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Controller 1050 als PC-System realisiert. Alternativ oder zusätzlich kann der Controller 1050 in weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen, als CNC-Controller ausgeführt sein. Zusätzliche externe Hard- und Software-Steuereinrichtungen sind in diesem weiteren Ausführungsbeispiel verzichtbar. Prozesssensoren sind dabei mittels einer schnellen Bus- Schnittstelle direkt an den CNC-Controller angebunden.

Abhängig von den oben genannten erfassten physikalischen Größen, also der tatsächlichen Höhe 1096 der Schicht, der Temperatur des Schmelzbades 2140 und/oder des Volumenstroms des Schweißmaterials 1070 ermittelt der Controller 1050 einen angepassten Satz von Prozessparametern 1060 zum Laserauf-tragschweißen 1095. Die Prozessparameter werden derart angepasst, dass geometrische Abweichungen des mittels Laserauftragschweißens 1095 gefertigten Bauteils 1020 minimiert werden, sodass allenfalls Abweichungen unterhalb einer festgelegten Toleranzschwelle auftreten. Entsprechend wird das Bauteil 1020 zuverlässig und robust gefertigt. Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das Zuführmaterial ein Pulver oder ein Draht. Das Verfahren kann insbesondere ein Verfahren für Laser Metal Deposition (LMD) sein.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Laser basierte additive Fertigung (Pulver oder Draht basiert) in Kombination mit einer Sensorik basierend auf der Interferometrie (statisch oder dynamisch abgelenkt) zur Prozessüberwachung und/oder Prozessführung basierend auf der Messung geometrischer Abstände und Topgraphien in oder um die Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungslaser und Werkstück bereitgestellt. Der optische Messstrahl kann beispielsweise durch einen Laserauftragsschweißkopf hindurch entweder durch den Pulverstrom (Pulverauftrags schweißen) oder am Draht vorbei statisch eingestrahlt oder präzise und hochdynamisch bewegt werden, so dass sequenziell oder parallel Messaufgaben durchgeführt werden können. Eine Messsaufgabe kann eine Topographiemessung im Vorlauf (z-Lage der Werkstückoberfläche) als Referenzmessung oder zur Pro- zessführung sein. Eine weitere Messaufgabe kann eine Topographiemessung im Nachlauf zur Bestimmung der Geometrie der Auftragsschweißraupe sein, beispielsweise zur Fehlerdetektion. Die Messergebnisse können zur Regelung von Prozesseingangsgrößen (z.B. Laserleistung, Pulverstrom, Drahtvorschub, Prozessgeschwindigkeit) verwendet werden.