HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit folgen den Schritten: a) Bereitstellen eines pulverförmigen Werkstoffes in einem Pulverbett in einer Elektro nenstrahlanlage; b) Örtlich selektives Schmelzen des Werkstoff im Pulverbett mit einem bewegten

Elektronenstrahl;

Die Erfindung betrifft ferner eine Elektronenstrahlanlage zur additiven Herstellung eines Werkstücks aus einem pulverförmigen Werkstoff mit a) einem Behältnis zur Aufnahme eines pulverförmigen Werkstoff in einem Pulverbett, b) einem Elektronenstrahlerzeuger, der dazu eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts zu richten, um dort örtlich selektiv den pulverförmigen Werkstoff zu schmelzen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Additive Herstellungsprozesse von Werkstücken erfahren derzeit unter dem Stichwort 3D- Druck große Aufmerksamkeit. Dabei ist es bereits bekannt, mit einem Laserstrahl einen pulverförmigen Werkstoff wie beispielsweise ein Kunststoffgranulat in einem Werkstoff bett Schicht für Schicht punktweise selektiv zu schmelzen, sodass nach und nach aus dem geschmolzenen und danach wieder ausgehärteten Kunststoff ein zusammenhängendes Werkstück erhalten wird. Am Ende des additiven Herstellungsprozesses wird dieses Werk stück von dem noch pulverförmigen Rest des pulverförmigen Werkstoffs befreit. Zur Überwachung eines solchen Herstellungsprozesses ist aus der EP 2 032 345 B1 zudem bekannt, eine Kamera einzusetzen, welche die Bearbeitungszone optisch überwacht.

Eine Bildauswertung kann dann durch Aufzeichnen einzelner Schichtbilder Schicht für Schicht erkennen, ob das Werkstück wie gewünscht voranschreitet. Durch Zusammenfü- gen der einzelnen Schichtbilder kann die Bildverarbeitung darüber hinaus von dem Werk stück ein tomographisches Bild erzeugen.

Ferner ist es auch bekannt, sogenannte Elektronenstrahlanlagen, bei welchen in einem Va kuumgefäß ein Elektronenstrahl auf ein Werkstoffbett gerichtet wird, zur additiven Her stellung von Werkstücken zu verwenden. Hierbei hat sich jedoch herausgestellt, dass die Anwendung eines optischen Überwa chungsverfahrens nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Überwachung eingangs genannter Art anzugeben, welches auch bei der Verwendung von Elektronenstrahlen zur additiven Herstellung eines Werkstücks gewünschte Ergebnisse liefert. Aufgabe der Erfindung ist es ferner eine entsprechende Elektronenstrahlanlage anzuge ben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren eingangs genannter Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst: c) Erfassen von Rückstreuelektronen, die von dem Werkstoff oder dem Werkstück zu- rückgestreut werden, mit einem Rückstreuelektronendetektor; d) Auswerten der Rückstreuelektronen mit einer Auswerteeinheit.

Bei der additiven Herstellung von Werkstücken mit Hilfe von Elektronenstrahlanlagen wer den typischerweise andere Materialien wie bei der Verwendung von Laserstrahlanlagen verwendet. Beispielsweise werden in Elektronenstrahlanlagen häufig Metalle oder Metall- legierungen verwendet. Der Erfinder hat dabei erkannt, dass beim Schmelzen mittels Elektronenstrahlen der be kannte Ansatz, eine Kamera einzusetzen, nicht anwendbar ist. Denn der zu verschmel zende Werkstoff im Pulverbett muss beim Elektronenstrahlschmelzen häufig vorerhitzt werden, um das Pulver bereits nahe an oder bis direkt an die Schmelztemperatur zu brin- gen. Ansonsten würde ein pulverförmiger Werkstoff aufgrund von elektrostatischer Absto ßung und aufgrund der Prozessführung im Vakuum aus dem Pulverbett 'Verblasen".

Der pulverförmige Werkstoff ist daher bereits rotglühend und würde sich von einem weiß glühenden Schmelzpunkt optisch kaum unterscheiden bzw. würde die Dynamik einer opti schen Erfassung überfordern. Auch kühlt sich das Werkstück im Vakuum nur langsam Ab- kühlen, sodass die Grenze zwischen Werkstück und pulverförmigem Werkstoff bei einer optischen Erfassung ohne längere Wartezeiten kaum erkennbar wäre.

Der Erfinder hat ferner erkannt, dass ein Warten auf das Abkühlen des Werkstücks zur op tischen Erfassung nicht anwendbar ist, da dann im Werkstück Gefügeänderungen auftre- ten, die nicht wünschenswert sind. Der Erfinder ist daher dazu übergegangen, die Rückstreuelektronen zur Überwachung des additiven Herstellungsprozesses heranzuziehen.

Im Gegensatz zur optischen Erfassung einer gesamten Schicht mit einer einzelnen Auf nahme werden die Rückstreuelektronen jeweils nur an einem Punkt, dem Auftreffpunkt des Elektronenstrahls zurück gestreut. Daher liefert das erfindungsgemäße Verfahren erst durch eine entsprechende Scanbewegung eine der optischen Erfassung vergleichbares Bild.

Insbesondere kann dabei die Intensität der Rückstreuelektronen, d.h. der Rückstreuelekt ronenstrom, ausgewertet werden.

Insgesamt erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine bessere Kontrolle des gesamten additiven Herstellungsprozesses bei der Verwendung eines Elektronenstrahls zum örtlich selektiven Schmelzen.

Vorzugsweise kann durch das Auswerten die Dichte des Werkstücks bestimmt werden. Das Rückstreuverhalten der Elektronen wird stark durch die Dichte des Werkstoffes an dem jeweiligen Auftreffpunkt des Elektronenstrahls bestimmt. Daher eignet sich die Aus wertung der erfassten Rückstreuelektronen besonders zur Bestimmung der Dichte des Werkstoffs. Dies ist ein besonderer Vorteil gegenüber der aus dem Herstellungsprozess mittels Laser bekannten optischen Erfassung, da dadurch eine innere Struktur des Werk stückmaterials bestimmt werden kann.

Vorzugsweise kann durch das Auswerten der Rückstreuelektronen ein Schichtbild des Werkstücks erzeugt werden.

Durch ein Erfassen der Rückstreuelektronen Schicht für Schicht während des additiven Herstellungsprozesses kann von dem erzeugten Werkstück eine Art tomographische Bild generiert werden. Da das Rückstreuverhalten der Elektronen vor allem von der Dichte des Werkstoffs abhängt, zeigt dieses Bild besonders Vorteilhaft die Dichteverteilung innerhalb des Werkstücks.

Vorzugsweise kann durch das Auswerten eine Änderung der Zusammensetzung des Werk- Stoffs bestimmt werden.

Falls der Werkstoff für das Werkstück sich wie beispielsweise im Falle einer Legierung aus unterschiedlichen Komponenten zusammensetzt lässt sich auf diese Weise die Änderung der Legierung bestimmen, sofern sich diese Änderung auf das Rückstreuverhalten der Rückstreuelektronen auswirkt. So kann beispielsweise eine Legierung im ursprünglichen, pulverförmigen Werkstoff eine erste Dichte aufweisen und die geschmolzene und wieder erstarrte Legierung im Werkstück kann eine zweite Dichte aufweisen. Auch Änderungen der Zusammensetzung im Pulverbett können erkannt werden und beispielsweise zur Tem peraturführung des Vorheizens verwendet werden. Insbesondere kann auch die Stick stoffverarmung eines Materials aufgrund des Schmelzvorgangs gemessen werden. Vorzugsweise kann durch das Auswerten der Rückstreuelektronen die Mikroporosität des Werkstücks bestimmt werden. Mit Hilfe entsprechender Parametrisierung des Elektronenstrahls und/oder der Tempera turführung des Pulverbetts kann ein mikroporöses Werkstück hergestellt werden, bei wel chem die Pulverpartikel nur teilweise miteinander verschmolzen sind. Über das erfin dungsgemäße Verfahren kann dabei die Mikroporosität überwacht werden. Davon unab- hängig kann die Mikroporosität jedoch auch zur Überwachung eines vollständigen Schmelzprozesses verwendet werden, um eine möglichst geringe Mikroporosität des Werkstücks zu erhalten.

Vorzugsweise kann durch das Auswerten die Oberflächenqualität des Bauteils bestimmt wird. Da die Rückstreuelektronen stark auf die Dichte des Werkstoff reagieren, kann die Auswer tung besonders gut den Übergang vom weniger Dichten pulverförmigen Werkstoff zum geschmolzenen und damit dichteren Werkstoff des Werkstücks erkennen. Insbesondere können dadurch Sinterhälse erkannt werden, die sich von einer Oberfläche des Werkstücks in das benachbarte heiße Pulver erstrecken. Dies ist beispielsweise von entscheidender Be- deutung zur Temperaturführung des Pulverbetts, um eine glatte Oberfläche zu erhalten.

Denn der additive Herstellungsprozess mit Hilfe des Elektronenstrahls hat gerade gegen über dem aus kaltem Pulver bauenden Laserprozess den Nachteil schlechterer Oberflä chenqualität aufgrund des Vorheizens. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann man dennoch ein Werkstück mit einer qualitativ hochwertigeren Oberfläche erzeugen, wobei das Werkstück zugleich weniger Verspannungen als ein Werkstück aus einem Laserprozes ses aufweist.

Vorzugsweise kann das Erfassen der Rückstreuelektronen während des Schmelzens und/oder nach dem Schmelzen erfolgen.

Da auch während des Schmelzvorgangs mit Hilfe des Elektronenstrahls Elektronen zurück- gestreut werden, kann das Erfassen und Auswerten grundsätzlich auch zeitgleich am je weiligen Schmelzpunkt erfolgen. Insbesondere kann die Dichte laufend während des Schmelzprozesses an dem jeweiligen Punkt gemessen werden. Das Erfassen und Auswerten kann jedoch auch beispielsweise mit einer verminderten Elektronenstrahlintensität nach dem eigentlichen Schmelzvorgang erfolgen. Dann kann auch eine Scanbewegung durchgeführt werden, um beispielsweise ein gesamtes Schicht bild zu erzeugen. Vorzugsweise kann das Ergebnis des Auswertens zur Prozesssteuerung verwendet werden.

Ganz allgemein kann der gesamte additive Herstellungsprozess in Abhängigkeit der Aus wertung der Rückstreuelektronen, insbesondere der oben genannten Auswertungen, gere gelt werden. Zu den steuerbaren Prozessparametern zählt beispielsweise Temperatursteu erung für das Vorheizen des Pulvers, die Elektronenstahlintensität und/oder die Geschwin- digkeit, mit welcher der Elektronenstrahl bewegt wird.

Vorzugsweise kann das Auswerten der Rückstreuelektronen richtungsabhängig mit Hilfe mehrerer an unterschiedlichen Orten angeordneten Rückstreuelektronendetektoren erfol gen.

Dazu kann zumindest einer der Detektoren beispielsweise zwischen 30° und 60° bezogen auf die senkrechte Rückstreurichtung seitlich angeordnet sein, um den Rückstreukegel richtungsabhängig zu erfassen. Ferner kann ein üblicherweise einstückiger Rückstreuelekt ronendetektor in mehrere Sektoren unterteilt sein. Dadurch kann man Schattenwurftopo graphien erzeugen, die für weitere Prozessteuerungen ausgewertet werden können.

Diese richtungsabhängige Messung der Rückstreuelektronen kann auch unabhängig von dem hier erfindungsgemäßen additiven Herstellungsverfahren ganz allgemein bei der Elektronenstrahlbearbeitung zur Anwendung kommen.

Hinsichtlich der Elektronenstrahlanlage wird die Aufgabe durch eine eingangs genannte Elektronenstrahlanlage gelöst, bei der c) die Elektronenstrahlanlage eine Auswerteeinheit und einen Rückstreuelektronende- tektor aufweist, die dazu eingerichtet sind, Rückstreuelektronen, die von dem

Werkstoff oder dem Werkstück zurückgestreut werden, zu erfassen und auszuwer ten. Eine solche Elektronenstrahlanlage kann die oben beschriebenen Verfahren durchführen. KURZE BESCHREI BUNG DER ZEICHN UNGEN

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenstrahlanlage zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit einem Rückstreuelektronen strahldetektor und einer Auswerteeinheit;

Figur 2 eine Schnittansicht der Elektronenstrahlanlage aus Figur 2; Figur 3 eine schematische Darstellung der Abfolge eines erfindungsgemäßen Verfah rens zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit einem Schritt zur Erfassung und Auswertung der Rückstreuelektronen.

BESCHREI BUNG BEVORZUGTER AUSFUHRUNGSBEISPIELE

Figur 1 zeigt eine Elektronenstrahlanlage 10 mit einem Vakuumgehäuse 12, in welchem eine Elektronenstrahlkanone 14 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 1 6 angeordnet ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Elektronenstrahlkanone 14 oberhalb eines Hubtisches 18 mit einer elektrisch leitfähigen Hubplatte 20 und mit einem Aufnahmerah- men 22 angeordnet, der als räumlich begrenztes Pulverbehältnis dient, welches ein Pulver bett 24 aus einem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff aufnimmt.

Wird die Hubplatte 20 nach unten gefahren, kann das Pulverbett 24 nach und nach einen größer werdenden Bereich einnehmen, sodass das Pulverbett 24 Schicht für Schicht ver größert wird. Oberhalb des Aufnahmerahmens 22 ist dazu eine Pulverauftrageinrichtung 26 mit einer Rakel 28 angeordnet, die mit einer Verfahreinrichtung 30 über den Hubtisch 18 bewegt werden kann. Die Pulverauftrageinrichtung 26 weist einen nicht gezeigten Behälter für den pulverförmigen Werkstoff auf, aus welchem durch eine Verfahrbewegung jeweils als oberste lose Schicht 32 der Werkstoff auf dem Pulverbett 24 eben aufgerakelt werden kann.

Über ein in Figur 2 ersichtliches Heizelement 34 am oberen Rand des Aufnahmerahmens 22 kann das Pulverbett 24 erwärmt werden. Mit dem Bezugszeichen 80 ist in Figur 1 ferner ein beispielhaft als Stern dargestelltes Werkstück bezeichnet, das durch Verschmelzen einzelner Partikel im Pulverbett 22 mit Hilfe des Elektronenstrahls 16 nach und nach ausgebildet bzw. "gedruckt" wurde.

Aus Figur 2 ist dabei ersichtlich, dass das Werkstück 80 auch in senkrechter Richtung zur horizontalen Fläche des Pulverbetts 22 mit Ausnehmungen und Wölbungen komplexer strukturiert ist.

Zudem sind dort am Werkstück 80 beispielhaft kleinere Sinterhälse 82 gezeigt, welche aus der ansonsten glatten Oberfläche des Werkstücks 80 hervorstehen.

Ferner ist ein mikroporöser Bereich 84 des Werkstücks 80 gezeigt, in welchem nur eine teilweise Verschmelzung der Pulverpartikel erfolgte. Die Elektronenstrahlanlage 10 weist außerdem eine Auswerte- und Steuerungseinheit 36 auf, welche elektrisch mit zwei Rückstreuelektronendetektoren 38 und 40 verbunden ist.

Im einfachsten hier gezeigten Fall sind die Rückstreuelektronendetektoren 38 und 40 kon zentrisch um die Hauptachse des Elektronenstrahls 16 herum angeordnete Metallringe un terschiedlichen Durchmessers. Der Rückstreuelektronendetektor 40 ist dabei in vier Sekto- ren unterteilt, welche (hier nicht explizit dargestellt) jeweils einzeln elektrisch mit der Aus- werte- und Steuerungseinheit 36 verbunden sind.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, können mit Hilfe der Rückstreuelektronendetektoren 36 und 38 sogenannte Rückstreuelektronen 42 detektiert werden, die aufgrund des Elektronen eintrages durch den Elektronenstrahl 16 vom Pulverbett 24 oder dem Werkstück 80 zu- rückgestreut werden. Die Auswerte- und Steuerungseinheit 36 ist dann dazu eingerichtet, verschiedene Eigen schaften des pulverförmigen Werkstoffs im Pulverbett 24 oder des Werkstücks 80 zu be stimmen.

Zudem kann die Auswerte- und Steuerungseinheit 36 diese Information dazu nutzen, den additiven Herstellungsprozess zu steuern. Dazu ist die Auswerte- und Steuerungseinheit 36 beispielsweise elektrisch mit dem Heizelement 34 zum Erwärmen des Pulverbetts 24 verbunden.

Die erfindungsgemäße Elektronenstrahlanlage 10 arbeitet wie aus Figur 3 ersichtlich wie folgt: Zunächst wird im Schritt A mit der Pulverauftrageinrichtung 26 die oberste lose Schicht 32 aus pulverförmigem Werkstoff auf dem Pulverbett 24 aufgetragen. Im Nachlauf zur Bewe gung der Pulverauftrageinrichtung 26 wird dabei noch während der Bewegung überschüs siges Pulver abgerakelt.

Anschließend bzw. zugleich wird entsprechend Schritt B das Pulverbett 24 dabei mit Hilfe des Heizelements 34 bis knapp unter oder an die Schmelztemperatur des Werkstoffs er hitzt.

Dann wird im Schritt C mit der Elektronenstrahlkanone 14 der Elektronenstrahl 16 erzeugt, der dann durch örtlich selektives Schmelzen der Pulverpartikel und das anschließende Er starren des Werkstoffs die zu erzeugende 3D-Struktur des Werkstücks 80 vorgibt. Örtlich selektives Schmelzen bedeutet dabei ein punktuelles Verschmelzen des pulverförmigen Werkstoffes am Auftreffort des Elektronenstrahls 16. Je nach Scan-Strategie wird das Werkstück dann Punkt für Punkt, Linie für Linie und Schicht für Schicht erzeugt.

Im eigentlichen erfindungsgemäßen Schritt wird D dann der Elektronenstrahl 16 über das Pulverbett 24, insbesondere über das gesamte Pulverbett 24, geführt und dabei die Rück- Streuelektronen 42 erfasst. Hierzu zeichnet die Auswerte- und Steuerungseinheit 36 den von den Rückstreuelektronendetektoren 38 und 40 erfassten Strom auf und wertet diesen aus. Dadurch können verschiedene Eigenschaften sowohl des Pulverbetts 24 und/oder des Werkstücks 80 bestimmt werden. Hierzu gehört insbesondere die Bestimmung der Dichte des Werkstoffes und/oder des Werkstücks 80, der Oberflächenqualität des Werkstücks 80, des Vorhandenseins von Sinterhälsen 82, der Mikroporosität des Werkstücks 80, der Zu- sammensetzung des Werkstoffs und/oder anderer Eigenschaften.

Die oben beschriebenen Schritte A bis D werden jeweils Schicht um Schicht wiederholt bis die 3D-Struktur 80 beendet ist.

Da die Rückstreuelektronen 42 beispielsweise je nach Ausrichtung einer Oberfläche des Werkstücks 80 in unterschiedlich Richtungen unterschiedlich stark rückgestreut werden, kann die Auswerte- und Steuerungseinheit 36 durch entsprechende Auswertung der un terschiedlichen Ströme beispielsweise in den vier Sektoren des Rückstreuelektronendetek tors 40 oder zwischen den beiden Detektoren 38 und 40 zusätzliche Informationen erhal ten.