Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schmelzbadüberwachung, mit dem es auf effiziente Weise möglich ist, eine möglichst exakte Überwachung des Schmelzbads zu erreichen, auch bei Verwendung verschiedener Werkstoff pulver und Fertigungsszenarien. Zudem schlägt die vorliegende Erfindung eine optimierte Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen vor, wobei die Vorrichtung bevorzugt eine integrierte Schmelzbadüberwachung aufweist.

Die additive Fertigung betrifft ein Verfahren zur Herstellung, bevorzugt dreidimensionaler Bauteile mittels schichtweisen Aneinanderfügens von Werkstoff. Beispielweise kann für das additive Verfahren metallisches Pulver als Grundwerkstoff verwendet werden, sodass über ein pulverbettbasiertes additives Verfahren ein Bauteil hergestellt wird. Eine Vielzahl von Prozessparametern beeinflussen hingegen die Bauteilqualität beim Laserstrahlschmelzen, welches ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren ist. Um Aussagen über die Bauteilqualität treffen zu können, kann eine Modellierung oder eine analytische Beschreibung herangezogen werden. Genauere Aussagen hingegen lassen sich meist nur unter Einsatz von Prozessüberwach ungssystemen erreichen, wie beispielsweise Messsysteme, welche das Schmelzbad des herzustellenden Bauteils während des Herstellungsvorgangs überwachen. Eine solche Überwachung ermöglicht zudem, während des Bauprozesses auf Prozessabweichungen zu reagieren, um somit die Bauteilqualität zu verbessern.

Eine exemplarische Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen ist beispielsweise in der WO 2019/211476 gezeigt. Bei solchen selektiven Laserschmelzverfahren kann eine in-situ Überwachung des Schmelzbads zum Beispiel durch Auskoppelung der in der Maschinenoptik einfallenden Rückstrahlung aus dem Schmelzbad erfolgen. Die Rückstrahlung kann wiederrum einem Sensor zugeführt werden, zur Überwachung des Herstellungsverfahrens und insbesondere des Schmelzbads.

Im selektiven Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett besteht jedoch das Problem, dass die gängigen Metallpulver (z.B. 3.2381, 3.7165, 1.4404, 1.2709, 1.4828, 2.4856 und 2.4668) eine deutlich unterschiedlich intensive Rückstrahlung auf die Sensoren aufweisen und zudem verschiedene Spektral profi le produzieren. Der Unterschied ist so groß, dass verschieden empfindliche Sensoren nicht in der Lage sind, bei gleichbleibenden Verstärkungseinstellungen alle genannten Materialien sättigungsfrei und mit einer auswertbaren signal-to-noise-ratio abzubilden. Aufwendige Einstellarbeiten sind daher meist vor dem Prozess nötig, um eine sinnvolle Prozessüberwachung überhaupt erst zu ermöglichen. Abhängig vom jeweiligen Herstellungsprozess ist dies wiederum jeweils vor Beginn des Prozesses erneut durchzuführen. Beispielsweise wird üblicherweise manuell durch die Vorauswahl des Metallpulvers vor dem Baujob eine Voreinstellung der Anlage ausgewählt. Dieser Ansatz beinhaltet jedoch auch den Nachteil, dass er nicht auf unterschiedliche Schichtdicken und entsprechend angepasste Parametrisierung reagieren kann, insbesondere während der Herstellung eines Bauteils bzw. ohne eine Unterbrechung der Herstellung zu benötigen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit welchen die genannten Nachteile reduziert oder vermieden werden können. Insbesondere ist es eine Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine möglichst genaue Prozessüberwachung erreicht werden kann und welche gleichzeitig flexibel und einfach auf verschiedene Herstellungsprozesse anzuwenden ist. Zudem ist es eine Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Schmelzbadüberwachung bei der Herstellung von additiven Bauteilen mittels selektiven Laserstrahlschmelzens genau erfolgen kann und dabei gleichzeitig die Sensorlebensdauer des für die Überwachung herangezogenen Sensors optimiert werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen zur additiven Fertigung von Bauteilen mit optimierter Prozessüberwachung und insbesondere mit optimierter Überwachung des Schmelzbads zur Beurteilung der Bauteilqualität und zur Optimierung des Herstellungsprozesses.

Zur Lösung der Aufgaben werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen befinden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Ein Verfahren für eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Bauteilen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung insbesondere nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens kann verschiedene Verfahrensschritte wie beispielsweise Empfangen der Rückstrahlung oder Erzeugen eines elektrischen Signals umfassen. Die Vorrichtung kann in einer Belichtungsphase mittels Energiestrahl in einem Bearbeitungsbereich ein Schmelzbad formen, zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch schichtweises Verschmelzen oder Versintern von Werkstoff pulver. Die Vorrichtung kann zumindest ein Erfassungssystem mit einem Empfänger aufweisen zum Erfassen einer Rückstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich und insbesondere dem Schmelzbad. Der Empfänger kann vorteilhaft eine Fotodiode oder ein Fotodioden-Array sein. Der Bearbeitungsbereich kann zudem einen Bereich um das Schmelzbad umfassen, beispielsweise mit einem vordefinierten Toleranzbereich um das Schmelzbad herum. Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Schritte umfassen: Empfangen der Rückstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich durch den Empfänger des Erfassungssystems. Basierend auf der empfangenen Rückstrahlung kann ein elektrisches Signal erzeugt werden, beispielsweise ein Sensorausgabesignal einer Fotodiode oder eines Fotodioden-Arrays. Das Ausgabesignal kann beispielsweise auch einem Sensorwert entsprechen, insbesondere einer Spannung in Volt.

Das Verfahren kann zudem die Schritte umfassen: Wenn in einem Prüfintervall das erzeugte elektrische Signal als Eingangssignal für das Prüfintervall von zumindest einem vorgebbaren Sollbereich und/oder Sollwert abweicht, Anpassung des erzeugten elektrischen Signals. Das Prüfintervall kann nach Auftreten vorbestimmter Ereignisse, wie beispielsweise dem Erreichen eines Auslösewerts am Empfänger, gestartet werden.

Vorteilhaft können ein oder mehrere Prüfintervalle nacheinander durchgeführt werden, wobei die Prüfintervalle vorteilhaft während der Belichtungsphase durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft kann bereits mit dem Start der Belichtungsphase auch gleichzeitig das erste Prüfintervall gestartet werden, sodass gleichzeitig mit der ersten Belichtung des Werkstoff pulvers auch eine Prüfung der empfangenen Rückstrahlung und eine Erzeugung eines elektrischen Signals durchgeführt werden können.

Vorteilhaft kann das erzeugte elektrische Signal im Prüfintervall mit einem vorgegebenen Sollbereich oder einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden und eine Abweichung kann festgestellt werden. Somit kann in einem Prüfintervall festgestellt werden, ob das elektrische Signal beispielsweise eine untere Schwelle und/oder eine obere Schwelle überschreitet und vorteilhaft kann das Ausmaß der Abweichung festgestellt werden.

Besonders vorteilhaft gibt der Sollbereich oder der Sollwert einen Idealbereich des Empfängers (oder der Fotodiode oder des Fotodioden-Arrays) an. In diesem Idealbereich kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden und der Verschleiß des Empfängers kann minimal gehalten werden. Wird nun beispielsweise im Prüfintervall eine unerwünschte Abweichung festgestellt, so kann eine Anpassung des Verstärkungsfaktors des Erfassungssystems durchgeführt werden. Somit kann das Verfahren insbesondere zusätzlich den Schritt umfassen der Anpassung des Verstärkungsfaktors des Erfassungssystems, wenn in einem Prüfintervall das erzeugte elektrische Signal von zumindest einem vorgebbaren Sollbereich und/oder Sollwert abweicht. Vorteilhaft kann die Anpassung durch elektronische Anpassung des Verstärkungsfaktors des Erfassungssystems erreicht werden und/oder durch mechanische Anpassung zumindest eines dem Empfänger im Strahlengang der Rückstrahlung vorgeschalteten optischen Filters. Wird somit in einem Prüfintervall eine unerwünschte Abweichung von einem Sollwert und/oder Sollbereich festgestellt, so kann eine elektronische Anpassung des Verstärkungsfaktors durch Anpassung einer oder mehrerer elektronischer Komponenten des Schaltkreises am Empfänger oder der Fotodiode (direkt) vorgenommen werden, sodass eine unmittelbare Änderung des Verstärkungsfaktors erreicht werden kann. Zusätzlich und/oder alternativ kann auch durch mechanisches Bewegen eines Filters in den Strahlengang der Rückstrahlung vor dem Empfänger eine Anpassung der Intensität der Rückstrahlung erreicht werden. Durch Vorschieben beispielsweise eines optischen Filters (insbesondere Neutraldichtefilter) kann daher die Intensität der Rückstrahlung, welche auf dem Empfänger auftritt, reduziert werden, wodurch wiederum die Intensität des erzeugten elektrischen Signals verändert werden kann und insbesondere abgeschwächt werden kann.

Vorteilhaft kann das elektrische Signal direkt aus der empfangenen Rückstrahlung des Empfängers erzeugt werden, beispielsweise als Ausgangssignal einer Fotodiode oder eines Fotodioden-Arrays als Empfänger. Vorgeschlagen wird somit eine Möglichkeit der empfängerausgangseitigen Anpassung des ausgegebenen elektrischen Signals, insbesondere der Intensität des Signals wie auch eine empfängereingangsseitige Anpassung durch Vorschalten von optischen Filtern, dynamisch im Prüfintervall und bevorzugt abhängig von der Abweichung vom Sollbereich und/oder Sollwert.

Besonders vorteilhaft kann die Stärke der Anpassung auch abhängig vom festgestellten Abweichungswert vom Sollbereich und/oder Sollwert selektiert werden (z.B. direkt proportional), sodass beispielsweise bei einer starken Abweichung vom Sollwert auch eine starke Anpassung des Verstärkungsfaktors erreicht werden kann. Durch die dynamische Anpassung, insbesondere während des Prüfintervalls, kann das elektrische Signal zentral an einer vorgebaren Messskala angeordnet werden, unabhängig vom verwendeten Werkstoffmaterial und den Fertigungsschritten wie beispielsweise der Dicke der zu fertigenden Werkstoffschicht. Somit ist es mit dem vorgeschlagenen Verfahren möglich sein, dynamisch in einem Prüfintervall während der Belichtungsphase mittels Energiestrahl die Verstärkung des Empfängers anzupassen und auf einen Idealwert zu justieren. Für jedes Material ist somit das Signal exakt in der Mitte der Messskala und eine Aussage über Intensitätsminima und -maxima material- und parameterisierungsunabhängig möglich. Es ergibt sich somit eine deutlich vereinfachte allgemeine Analytik der Signale da sowohl Intensitätsminima wie auch -maxima einen pa reto-optimal en Wertebereich annehmen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann wiederum das angepasste elektrische Signal zur Beurteilung der Bauteilgüte herangezogen werden und/oder direkt als Prozesseingabeparameter zur Adaption des Prozesses und somit zur Optimierung der Herstellung des aktuell belichteten Bauteils. Dazu kann beispielsweise das angepasste elektrische Signal der Maschinensteuerung der additiven Fertigungsanlage direkt zugeführt werden.

Die erfindungsgemäße technische Lösung sieht somit vor, im Prozess im Falle einer Sättigung, des Ausgabewerts des Empfängers bzw. des Sensorwerts, die Verstärkung (GAIN) automatisch und direkt (sofort) anzupassen, insbesondere zu senken oder zu steigern, um eine Beschädigung des Empfängers oder der Sensoren zu vermeiden und/oder ein optimales Ausgabesignal zu erreichen. Somit kann ein zu niedriges Signal, welches einen festlegten Schwellenwert von beispielsweise 0,2 V im Messintervall [0; 4,2] V unterschreitet, zu einer Erhöhung der elektronischen Signalverstärkung führen, um ein Signal hinsichtlich der signal-to- noise-ratio (Signal-Rausch-Abstand) deutlich zu verbessern. Die Drosselung bzw. Verstärkung erfolgt dabei um eine definierte (insbesondere vordefinierte) Schrittlänge, bis in einem Zeitintervall von zum Beispiel 500 psec keine Sättigung mehr auftritt. Nach einem optional weiteren Prüfintervall (z.B. 2 see) wird gegebenenfalls noch einmal nachjustiert. Nach einem optional dritten Beobachtungsintervall oder Prüfintervall kann dann die finale Nachjustage bewirkt werden, um das Signal exakt in der Mitte der Skala zu platzieren und die Gültigkeit der Einstellung für den gesamten Prozess zu validieren. So wäre für jedes Mal das Eingabe-/Ausgabesignal in der Mitte der Messskala (z.B. bei 2,1 V im Messintervall 0 bis 4,2 V) und eine Aussage über lokale Intensitätsminima und -maxima wäre material- und parametrisierungsunabhängig möglich. Es ergibt sich eine deutlich vereinfachte allgemeine Analytik der Signale, sodass sowohl Intensitätsminima wie auch Intensitätsmaxima einen pa reto-optimalen Wertebereich annehmen können. Nach der Belichtungsphase, in der die Signalverstärkung optimiert wurde, kann zudem in einem weiteren Zeitintervall mit ausgeschaltetem Laser, ein Wertei nterva II zur Beschreibung des Nullrauschens erhoben werden und der Analytik als statistisches Mittel zur digitalen Filterung des Signals zur Verfügunggestelltwerden. Somit kann der im Wertei nterva II festgestellte Grundwert verwendet werden, um den vorgebbaren Sollbereich und/oder Sollwert einzustellen, um somit eine möglichst präzise Einstellung des Sensorwerts erreichen zu können.

Vorteilhaft kann somit eine Elektronik vorgeschlagen werden, die beispielsweise direkt im Empfänger (Fotodiode oder Fotodioden-Array) integriert ist und die innerhalb von Mikrosekunden auf die Sättigung reagiert, um die Verstärkung anzupassen, sowie den neuen Einstellungswert speichert und diesen an einer Schnittstelle für einen Computer oder die Maschinensteuerung der Laserstrahlschmelzanlage auslesbar macht. Die Elektronik kann vorteilhaft in einem Gehäuse untergebracht sein und mit der Ausgabe der Fotodioden als Eingangssignal verbunden werden. Die Regelung der Signalverstärkung kann vorteilhaft direkt auf einer oder mehreren Platinen, insbesondere direkt mit den Fotodioden, fest verlötet sein und kann unter anderem auch einen programmierbaren Mikrokontroller umfassen (z.B. FPGA) und eine analoge oder serielle Schnittstelle zur Weitergabe der Messdaten und Verstärkungseinstellung an einen Computer.

Das Verfahren kann zudem insbesondere vor der Fertigung des Bauteils und/oder vor einer Belichtungsphase (oder vor der ersten Belichtungsphase des Herstellungsverfahrens) die Schritte umfassen: Selektieren eines oder mehrerer optischer Filter einer Aufnahmeeinheit basierend auf dem Werkstoff des verwendeten Werkstoff pulvers und einem vorbestimmten Fertigungsszenario für die Fertigung des Werkstücks. Zudem kann der Schritt vorgesehen sein des automatisierten Einwechselns des selektierten einen oder der selektierten mehreren optischen Filter der Aufnahmeeinheit in den Strahlengang der Rückstrahlung vor dem Empfänger, wobei die Einwechslung des einen oder der mehreren optischen Filter vor der Belichtungsphase stattfindet und wobei die eingewechselten Filter bevorzugt während der Belichtungsphase unverändert eingewechselt bleiben, also konstant in der Rückstrahlung vorgesehen sind (besonders bevorzugt konstant während des Prüfungsintervalls). Zusätzlich zur dynamischen Filterauswechslung und zur dynamischen Verstärkungsanpassung im Rahmen des Prüfintervalls ist es somit möglich, als Initialeinstellung für die Fertigungsanlage eine zusätzliche Aufnahmeeinheit bereitzustellen und über diese Aufnahmeeinheit selektierte optische Filter vor der ersten Belichtungsphase in den erwarteten Strahlengang der Rückstrahlung zu schwenken. Die Selektion der optischen Filter kann dabei vorteilhaft basierend auf dem für den Bauauftrag verwendeten Werkstoff pulver und den für den Bauauftrag gewählten Fertigungsszenario (dies umfasst vorteil haft zu mindest ei ne der folgenden Kriterien: Fertigungsgeschwindigkeit, Schichtdicken, Bauteilgeometrie, Lasereinstellung während der Fertigung, Belichtungsstrategie und voraussichtlich zu erwartendes Temperaturprofil) selektiert werden. Diese optischen Filter umfassen vorteilhaft dabei insbesondere Kantenfilter, Verlaufsfilter, Polarisationsfilter und Interferenzfilter. Durch die Bereitstellung der optimalen Startbedingungen ist es somit möglich, das thermische Spektrum zu entschlüsseln und diese Sensorik für die prozessgerechte Beobachtung zu optimieren. Besonders vorteilhaft wird somit ein zweistufiger Ansatz vorgeschlagen; erstens eine statische Einstellung von Filtern zur optimalen Prozessbeobachtung, welche bereits vor der Belichtungsphase festgelegt wird und während des Herstellens des Bauteils konstant gehalten wird, sowie eine zweite Einstellung der dynamischen Anpassung während verschiedener Prüfintervalle zum optimalen Anpassen des Sensorausgabewerts und der vom Sensor empfangen Rückstrahlung dynamisch während der Belichtungsphase. Obwohl die einzelnen Maßnahmen hier in Kombination beschrieben sind, können diese auch vorteilhaft einzeln eingesetzt werden und vorteilhaft unabhängig voneinander, sodass es möglich ist, beispielsweise nur eine dynamische Anpassung des Verstärkungsfaktors anhand der elektronischen Verstärkungsverstellung durchzuführen oder nur eine Anpassung durch dynamische Einwechslung der Filter während der Prüfintervalle in der Belichtungsphase.

Vorteilhaft kann der Empfänger des Erfassungssystems zumindest während der Belichtungsphase die Rückstrahlung aus dem Schmelzbad empfangen. Vorteilhaft ist dabei, eine koaxiale Anordnung und eine koaxiale Schmelzbadüberwachung zu erreichen. Besonders vorteilhaft empfängt der Empfänger während der Belichtungsphase stets, also durchgehend, die Rückstrahlung.

Die Bedingung für die Anpassung des elektrischen Signals kann als erfüllt angesehen sein, wenn das elektrische Signal im Prüfintervall einen vorbestimmbaren ersten Schwellenwert überschreitet oder einen vorbestimmbaren zweiten Schwellenwert unterschreitet. Vorteilhaft können die ersten und zweiten Schwellenwerte vor dem Start des Prozesses festgelegt werden oder dynamisch während des Herstellungsprozesses des Bauteils angepasst werden, in Abhängigkeit des Fertigungsauftrags, beispielsweise der aktuell herzustellenden Schichtdicke oder der aktuell herzustellenden Bauteilgeometrie, der erwarteten Schmelzbadtemperatur, des verwendeten Materials und/oder dem Fertigungsszenario (Parameter wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Spotdurchmesser, etc.).

Vorteilhaft kann das Erfassungssystem die Anpassung des elektrischen Signals während und/oder am Ende des Prüfintervalls automatisch ausführen. Dadurch, dass die Schaltung zur Verstärkung des elektronischen Signals direkt am Empfänger angeordnet ist, ist eine möglichst zeitnahe und direkte Anpassung des Ausgabesignals des Empfängers möglich, sodass im Prüfintervall, sobald eine Abweichung festgestellt wird, direkt eine Anpassung vorgenommen werden kann. Ähnlich kann auch direkt eine mechanische Einwechslung eines oder mehrerer Filter bewirkt werden. Besonders vorteilhaft kann die Schaltung direkt am Empfänger einen Signalvergleich ausführen, durch entsprechende Schaltungselemente, welche bevorzugt direkt im Empfänger integriert sind. Vorteilhaft kann nach einem ersten Prüfintervall, zumindest ein zweites Prüfintervall folgen und das zweite Prüfintervall kann als Eingangssignal das im vorangegangen Prüfintervall angepasste elektrische Signal erhalten. Besonders vorteilhaft dauert ein Prüfintervall eine vordefinierte Zeit, insbesondere 500 ps oder weniger (insbesondere für die ersten Prüfungsintervalle). Weiter vorteilhaft kann das letzte Prüfungsintervall eine Zeit von 1000 - 2000 ps (reine Lasereinschaltzeit) dauern.

Vorteilhaft kann die Anpassung des Verstärkungsfaktors des Erfassungssystems eine elektrische Drosselung oder elektrische Verstärkung des elektrischen Signals sein. Besonders vorteilhaft wird die elektrische Drosselung oder elektrische Verstärkung von einem Schaltkreis erreicht, welcher direkt am Empfänger vorgesehen ist.

Die Anpassung eines dem Empfänger im Strahlengang der Rückstrahlung vorgeschalteten optischen Filters kann durch ein Verdrehen oder Verschieben einer insbesondere mit mehreren Filtern bestückten Filteraufnahme erreicht werden (insbesondere ein integriertes Filterrad). Die optischen Filter können im Strahlengang der Rückstrahlung dem Empfänger vorgeschaltet sein, das heißt, dass die Rückstrahlung zuerst den Filter erreicht und erst danach den Empfänger bzw. die Fotodiode oder das Fotodioden-Array. Die Filteraufnahme kann beispielsweise als Scheibe ausgestaltet sein, welche drehbar ausgestaltet ist. Um einen Drehpunkt der Scheibe (oder des Filterrads) können mehrere verschiedene Filter angeordnet sein, sodass durch Verdrehen der Filteraufnahme unterschiedliche Filter in den Strahlengang der Rückstrahlung gewechselt werden können. Besonders vorteilhaft bleibt eine Position (Freiposition der Filteraufnahme) frei und hat daher keinen Filter, sodass im Fall des Verdrehens der Filteraufnahme auch eine Position (Freiposition) vorhanden ist, bei der kein Filter im Strahlengang der Rückstrahlung vorliegt, sodass ein möglichst starkes Signal den Empfänger erreichen kann.

Die Anpassung des erzeugten elektrischen Signals kann direkt im Prüfintervall erfolgen, sobald zumindest eine Abweichung vom vorgegebenen Sollbereich und/oder Sollwert ermittelt wurde. Somit kann über einen Schaltkreis, der direkt am Empfänger vorgesehen ist, eine direkte Anpassung des Sensorausgabesignals durchgeführt werden, insbesondere abhängig von der festgestellten Abweichung zum Sollwert oder Sollbereich. Weiter vorteilhaft kann somit direkt am Empfängerschaltkreis auch eine Schaltung zum Vergleich des elektrischen Signals (z.B. Komparator) mit dem Sollwert oder Sollbereich vorgesehen sein, sodass eine möglichst zeitnahe Anpassung erreicht werden kann.

Nach der Belichtungsphase (bei deaktiviertem Energiestrahl) kann bevorzugt zudem ein Werteintervall (= Prüfintervall bei deaktiviertem Laser) vorgesehen sein. Das Werteintervall kann vorgesehen sein zum Erfassen eines Nullrauschens des Systems und insbesondere der Prozesskammer. Bevorzugt kann der Sollwert oder Sollbereich und insbesondere der Schwellenwert des Prüfintervalls basierend auf dem im Werteintervall erfassten Wert des Nullrauschens und einem vorgegebenen Idealwert des Empfängers ermittelt werden. Durch das vorgeschlagene Werteintervall ist es daher möglich, einen Ausgangswert festzustellen und abzuspeichern und diesen beim Vergleich eines Empfängerausgabesignals mit einem Sollwert oder Sollbereich zu berücksichtigen. Ein Grundrauschen oder ein Nullrauschen kann daher entsprechend berücksichtigt werden und die Genauigkeit der Erfassung kann verbessert werden. Besonders vorteilhaft kann der Werteintervall auch bereits vor der (ersten) Belichtungsphase bei deaktiviertem Energiestrahl vorgesehen sein. Beispielsweise kann der festgestellte Wert (Sensorwert) des Werteintervalls zusätzlich zu einem Idealwert des Empfängers (oder der Fotodiode oder des Fotodioden-Arrays) kombiniert werden, um den vorgegebenen Sollbereich oder Sollwert festzu legen.

Während der Herstellung des Bauteils können bevorzugt mehrere Prüfintervalle sequentiell vorgesehen sein, insbesondere während derselben Belichtungsphase. Vorteilhaft können die Prüfintervalle in einem vorbestimmten zeitlichen Abstand zueinander geplant werden. Beispielsweise können drei Prüfintervalle vorgesehen werden, wobei in jedem der Prüfintervalle das Sensorsignal näher zu einem vorbestimmten Idealwert (Nullrauschen und Idealwert des Empfängers) angepasst wird. Die Verstärkung oder Drosselung des Signals des Empfängers kann somit schrittweise optimiert werden, sodass im Ergebnis das Sensorsignal vorteilhaft in der Mitte einer Messskala vorliegen kann, und zwar besonders bevorzugt unabhängig vom verwendeten Werkstoff pulver und dem Fertigungsszenario (Fertigungsszenario kann insbesondere auch umfassen die Belichtungsstrategie wie beispielsweise die Streifenbelichtung oder die Linienbelichtung sowie die vorgegebenen Konturen und/oder einen Hatch-Abstand, Scanrichtung und/oder Schutzgasströmungsrichtung, und/oder Schichtdicken). Vorteilhaft erfolgt die Verstärkung oder Drosselung im Prüfintervall um eine vordefinierte Schrittlänge, bis das angepasste elektrische Signal im vorgegebenen Sollbereich und/oder auf einem Sollwert liegt. Der Sollwert und/oder Sollbereich kann vorteilhaft zumindest anhand eines vorgebbaren Idealwerts des Empfängers und/oder basierend auf einem Nullrauschen festgelegt werden.

Der Empfänger des Erfassungssystems kann vorteilhaft eine Diode sein oder ein Dioden-Array. Der Empfänger kann vorteilhaft ein elektronisches Signal bei Empfang der Rückstrahlung ausgeben, wobei zur Anpassung des elektronischen Sensorsignals eine Verstärkungsschaltung vorteilhaft direkt am Empfänger (oder integriert in die Empfängerschaltung) und insbesondere auf derselben Platine oder direkt am Ausgang des Empfängers vorgesehen ist.

Vorteilhaft kann der Verstärker ein elektronischer Verstärker sein mit einstellbarer Verstärkung.

Besonders vorteilhaft kann der Verstärkungsfaktor oder Drosselungsfaktor in einem Prüfintervall anhand des Betrags der Abweichung vom Sollbereich und/oder Sollwert automatisch festgelegt werden.

Vorteilhaft kann das Verfahren zusätzlich den Schritt umfassen: Ausgabe des angepassten elektrischen Signals an die Maschinensteuerung der Fertigungsanlage. Vorteilhaft kann die Stärke des elektrischen Signals (insbesondere des Sensorausgabesignals) abhängig vom Werkstoff des verwendeten Werkstoff pulvers sein und die Anpassung des elektrischen Signals und insbesondere die Anpassung der Stärke des elektrischen Signals kann erfolgen, um das elektrische Signal im Idealbereich und/oder mittig an einer (werkstoffspezifischen) Signalstärkeskala anzuordnen.

Das Erfassungssystem kann vorteilhaft zur Anpassung des erzeugten elektrischen Signals die Verstärkung auf einen Einstellwert setzen. Der Einstellwert kann gespeichert werden und bevorzugt ausgegeben werden, insbesondere an eine Maschinensteuerung der Fertigungsanlage. Anhand des ausgegebenen Einstellwerts kann über die Maschinensteuerung daher auf die Signalverstärkung oder Signaldrosselung geschlossen werden und Rückschlüsse auf die Bauteilgüte werden möglich. Zudem kann der ausgegebene Einstellwert als Anpassungsparameter der Maschinensteuerung zugeführt werden, um beispielsweise Prozessparameter des Herstellungsprozesses anzupassen, wie beispielsweise die Laserleistung oder die Scangeschwindigkeit. Vorteilhaft sind (für die dynamische Anpassung) die Filter insbesondere Neutraldichtefilter, welche unterschiedlich zueinander sind.

Erfindungsgemäß kann zudem ein Verfahren (für die statische Filteroptimierung) vorgeschlagen werden für eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Bauteilen aus pulverförmigen Werkstoffen mittels optischer Wechselwirkung, insbesondere nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens (SLM). Die Vorrichtung kann in einer Belichtungsphase mittels Energiestrahl in einem Bearbeitungsbereich ein Schmelzbad formen zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch schichtweises Verschmelzen oder Versintern von Werkstoffpulver. Die Vorrichtung kann zumindest ein Erfassungssystem mit einem Empfänger aufweisen zum Erfassen einer Rückstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich. Vorteilhaft weist das Verfahren die Schritte auf: vor der Bearbeitung oder Herstellung des Bauteils Selektieren eines oder mehrerer optischer Filter, eine Aufnahmeeinheit, basierend auf den vorgegebenen Werkstoff des verwendeten Werkstoff pulvers und einem vorbestimmten Fertigungsszenario für die Fertigung des Werkstücks.

Das vorbestimmte Fertigungsszenario umfasst vorteilhaft zumindest einen der folgenden Faktoren: Schichtdicke, die Scanrichtung, den Verlauf der Scanvektoren, die Scangeschwindigkeit, die Schichtdicke, die Schutzgasströmungsrichtung sowie eine erwartete Intensitätsverteilung des Laserstrahls.

Das Verfahren kann zudem die Schritte umfassen: automatisiertes Einwechseln des selektierten einen oder der selektierten mehreren optischen Filter in den Strahlengang der Rückstrahlung vor dem Empfänger, wobei die Einwechslung des einen oder der mehreren optischen Filter vor der Belichtungsphase stattfindet und wobei bevorzugt die eingewechselten Filter während der Belichtungsphase unverändert eingewechselt bleiben. Die eingewechselten Filter bleiben daher vorteilhaft konstant im Strahlengang der Rückstrahlung während des gesamten Bauprozesses bzw. der gesamten Bauteilherstellung oder zumindest konstant während einer (gesamten) Belichtungsphase des Herstellungsverfahrens. Diese zusätzlichen optischen Filter werden auch als statische optische Filter bezeichnet, da diese statisch in der Belichtungsphase vorliegen, und können eine zusätzliche Optimierung der Auswertung der Rückstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich ermöglichen, um das thermische Spektrum entsprechend zu entschlüsseln und die Sensorik für die prozessgerechte Beobachtung zu optimieren. Diese Filter umfassen insbesondere Kantenfilter, Verlaufsfilter, Polarisationsfilter und Interferenzfilter. Andererseits weisen die dynamischen Filter, also die Filter die während der Belichtungsphase dynamisch ein- und ausgewechselt werden können bevorzugt lediglich verschiedene Neutraldichtefilter auf. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die dynamischen Filter auch Kantenfilter, Verlaufsfilter, Polarisationsfilter und/oder Interferenzfilter, zusätzlich zu den Neutraldichtefiltern.

Vorteilhaft sind die optischen Filter, die vor der Belichtungsphase eingewechselt werden, nach der beim Bauprozess des Bauteils oder Werkstücks zu erwartenden elektromagnetischen Emission selektiert. Eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung insbesondere nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens (SLM) kann eingerichtet sein, um in einer Belichtungsphase mittels Energiestrahl in einem Bearbeitungsbereich ein Schmelzbad zu formen, zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch schichtweises Verschmelzen oder Versintern von Werkstoff pulver. Die Vorrichtung kann zumindest ein Erfassungssystem aufweisen zum Erfassen einer Rückstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich. Das Erfassungssystem kann konfiguriert sein basierend auf der empfangenen Rückstrahlung des Bauteilbereichs, ein elektrisches Signal zu erzeugen. Besonders vorteilhaft erfasst das Erfassungssystem über einen Empfänger die Rückstrahlung aus dem Schmelzbad. Das Erfassungssystem kann konfiguriert sein, wenn in einem Prüfintervall das erzeugte elektrische Signal als Eingangssignal für das Prüfintervall von zumindest einem vorgebbaren Sollbereich und/oder Sollwert abweicht, das elektrische Signal anzupassen. Besonders vorteilhaft kann das Erfassungssystem konfiguriert sein, das elektrische Signal derart anzupassen, dass ein Verstärkungsfaktor des Erfassungssystems abgeändert wird. Beispielsweise kann eine Verstärkung oder eine Abschwächung des Sensorsignals erfolgen. Insbesondere kann die Anpassung erreicht werden durch eine (dynamische) elektronische Anpassung direkt an einem Schaltkreis des Empfängers und/oder direkt durch (insbesondere dynamische) Anpassung eines optischen Filters im Strahlengang der Rückstrahlung, beispielsweise durch Auswechslung (oder Verdrehung) des optischen Filters.

Vorteilhaft kann das Erfassungssystem als Empfänger zum Erfassen der Rückstrahlung aus dem Schmelzbad eine oder mehrere Fotodioden (oder bevorzugt eine Vielzahl von unterschiedlichen Fotodioden mit vorgeschalteten, optischen Filtern für unterschiedliche optische Spektralbereiche) umfassen. Da verschiedene Fotodioden verwendet werden, kann eine umfassendere Auswertung der Rückstrahlung erreicht werden. Zudem kann ein Fotodioden-Array verwendet werden, um mehrdimensionale Auflösung zu erlauben. Besonders vorteilhaft können diese Fotodioden über einen gemeinsamen Strahlengang der Rückstrahlung beaufschlagt werden, wobei vorteilhaft in diesen Strahlengang gemeinsam für sämtliche Dioden die optischen Filter ein- und ausgewechselt werden können.

Vorteilhaft kann zumindest ein Fotodiodenverstärker (insbesondere Bipolartransistor, Transimpedanzverstärker) zum Verstärken des Fotostroms der zumindest einen Fotodiode vorgesehen sein und der Verstärkungsfaktor kann durch den Fotodiodenverstärker (elektrisch) einstellbar sein. Der Fotodiodenverstärker kann direkt am Ein- oder Ausgang der Fotodiode vorgesehen sein, bevorzugt im selben Schaltkreis.

In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung sind Fotodioden zumindest für den sichtbaren, den ultravioletten und den infraroten Bereich vorgesehen (mit vorgeschalteten, optischen Filtern für unterschiedliche optische Spektralbereiche). Eine besonders vorteilhafte und exakte Prozessüberwachung kann mit einer solchen Kombination von Fotodioden erreicht werden, wobei diese Fotodioden vorteilhaft gemeinsam über den Strahlengang der Rückstrahlung und den einen oder die mehreren optischen Filter beaufschlagt werden. Die Fotodioden können jeweils separat eine Verstärkerschaltung (z.B. Fotodiodenverstärker) aufweisen, sodass diese separat voneinander bzgl. der Verstärkung geregelt werden können, sodass individuell das Ausgabesignal der jeweiligen Fotodiode angepasst werden kann. Die Sättigung einzelner Fotodioden kann somit individuell abgeschwächt werden und ein zu schwaches Signal kann individuell abgestimmt auf die Fotodiode verstärkt werden.

In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung kann ein eingewechselter Filter verschiedene Filterareale aufweisen, wobei jedes Filterareal eine eigene Filterung aufweist, wobei bevorzugt jedes Filterareal einer eigenen Fotodiode zugewiesen wird. Ein einzelner Filter kann daher über unterschiedliche Filterareale eine unterschiedliche Filterung desselben Strahlengangs für verschiedene Fotodioden erreichen. Eine individuelle Abschwächung des empfangenen Signals der Rückstrahlung für die Fotodioden kann dadurch besonders effizient erreicht werden. Eine Auswechslung wiederum ist für den gesamten Filter vorgesehen beispielsweise durch einen anderen Filter mit anderen Filterarealen. Besonders vorteilhaft weist ein Filter drei verschiedene Filterareale auf, welche individuell auf die jeweilig zugeordnete Fotodiode angepasst sind.

Die vorgeschalteten optischen Filter können vorteilhaft in einer Filteraufnahme angeordnet sein und die Filteraufnahme kann zum Einwechseln der Filter verdrehbar oder verschiebbar angeordnet sein. Beispielsweise ist die Filteraufnahme als Scheibe ausgestaltet, welche um einen Drehpunkt herum verschiedene Filter gleichmäßig angeordnet hat. Durch Verdrehen dieser Scheibe wird ein Einwechseln verschiedener Filter ermöglicht. Die Filteraufnahme kann zudem als verschiebbare Leiste ausgestaltet sein, welche entlang einer Verschiebelinie verschiedene Filter nacheinander angeordnet hat. Die Filteraufnahme kann vorteilhaft eine Filterposition aufweisen, in der kein Filter vorliegt, sondern lediglich eine Öffnung, sodass die Rückstrahlung filterfrei durchgelassen werden kann. Die Filteraufnahme ermöglicht daher durch Einwechseln einer vorbestimmten Filterposition auch ein filterfreies Durchlässen der Rückstrahlung.

Vorteilhaft ist eine Vielzahl von beweglich angeordneten Filtern vorgesehen, welche unabhängig voneinander im Strahlengang der Rückstrahlung angeordnet werden können. Bevorzugt werden mehrere Filter gleichzeitig im Strahlengang der Rückstrahlung angeordnet.

Vorteilhaft ist der Empfänger koaxial zum Energiestrahl angeordnet.

Vorteilhaft kann das Verfahren einen Kalibrierungsvorgang aufweisen, bei dem filterfrei über den Empfänger ein Grundrauschen erfasst wird und wobei basierend auf diesem Grundrauschen ein Ausgangswert festgelegt wird. Basierend auf diesem Ausgangswert werden die oberen und unteren Schwellen für die Erfassung der zulässigen Sensor Ein- und Ausgabewerte des Empfängers festgelegt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird als Filter ein variabler Neutraldichtefilter verwendet, um die Lichtdurchlässigkeit dynamisch und präzise einstellen zu können. Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden an verschiedenen Ausführungsbeispielen mit Bezug auf schematische Figuren beschrieben. Mit den schematischen Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.

Figuren

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens;

Fig. 2A zeigt die Verstärkung bzw. Drosselung eines Sensorwerts eines Empfängers;

Fig. 2B zeigt das Prüfintervall und das Werteintervall sowie die Anpassung der Verstärkung;

Fig. 2C zeigt eine schematische Darstellung eines Laserlichts beim Schweißen mit Schutzgasströmung entlang der Schutzgasströmungsrichtung SS;

Fig. 3 zeigt einen Aufbau einer Elektronik gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 zeigt einen weiteren Aufbau eines Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagram für die Einstellung der Signalverstärkung;

Fig. 6 zeigt eine weitere Darstellung einer Ausführungsform;

Fig. 7 zeigt beispielhaft den Verlauf eines Emissionssignals;

Fig. 8 zeigt eine Regelung des Systems. Im selektiven Laserstrahlschmelzen erfolgt eine in-situ Überwachung des Schmelzbads, z.B. durch die Auskoppelung der in die Maschinenoptik einfallenden Rückstrahlung aus dem Schmelzbad mit einem einseitig durchlässigen Spiegel (z.B. Dichroid). Die ausgekoppelte Rückstrahlung wird zum Beispiel mit Filtern in explizite Wellenlängenbänder eingegrenzt und mit oder ohne fokussierende Linsen auf die Fotodioden oder Pixel-Arrays von Sensoren gelenkt. Es können fotodiodische Sensoren und digital einstellbare Sensoren verwendet werden. Einstellbar ist dabei die Verstärkung des elektronischen Signals, welches durch den Einfall der Fotodioden erzeugt wird. Mit dieser Einstellung versucht man das Signal gerade so weit zu verstärken, dass es sich deutlich vom Hintergrundrauschen abhebt, jedoch möglichst zu keinem Zeitpunkt eine Sättigung eintritt, die den Sensor eventuell auf Dauer beschädigen könnte, und zudem keine relative Aussage mehr über die Intensität der Lichtemission zulässt.

Im selektiven Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett besteht jedoch das Problem, dass die gängigen Metallpulver (z.B. 3.2381, 3.7165, 1.4404, 1.2709, 1.4828, 2.4856 und 2.4668) deutlich unterschiedlich intensive Rückstrahlungen auf die fotodiodischen Sensoren und verschiedene spektrale Profile produzieren. Der Unterschied ist so groß, dass verschieden empfindliche Sensoren nicht in der Lage sind, bei gleichbleibendem Verstärkungseinstellung (GAIN) alle genannten Materialien sättigungsfrei und mit einer auswertbaren signal-to-noise-ratio (Signal- Rausch-Abstand) abzubilden. Es gilt daher, die Strahlführung und die Umwandlung in einen elektrischen Signalprozess individuell zu optimieren.

Fig. 1 zeigt den beispielhaften Aufbau einer SLM Anlage (SLM-selective laser melting; selektives Laserschmelzen oder pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laser). In der Prozesskammer 1, in der beispielsweise ein Schutzgas oder eine Schutzgasströmung vorliegen kann, ist die Bearbeitungsebene 2 vorgesehen. Die Bearbeitungsebene 2 kann gleichzeitig das Pulverbett sein und der Bereich des Schmelzbads, welches beim Aufschmelzen der Materialien durch den Laserstrahl erzeugt wird. Über den Laser 5 wird ein Laserstrahl (Arbeitsstrahl) erzeugt, welcher über einen Spiegel oder ein optisches Element 4 abgelenkt wird, um zielgerichtet auf die Bearbeitungsebene 2 gelenkt zu werden. Das optische Element 4 kann daher zur Einkopplung des bearbeitenden Lasers bzw. zur Auskoppelung der Emission aus dem Schmelzbad verwendet werden. Bevorzugt sind dabei zwei Galvanometerscanner zur Führung des Bearbeitungsstrahls vorgesehen und die Emission aus dem Schmelzbad wird mit einer weiteren Beschichtung auch reflektiert. Die eigentliche Auskopplung kann später im Strahl erfolgen, durch einen weiteren teildurchlässigen Umlenkspiegel. Wie in Fig. 1 dargestellt, verläuft die Rückstrahlung aus dem Schmelzbad oder die Emission 7 aus dem Schmelzbad entgegengesetzt zum Laserstrahl L, wobei diese Rückstrahlung durch das optische Element 4 hin durchgelassen wird, um letztlich auf den fotodiodischen Sensor 9 zu treffen.

Beim Laserstrahlschmelzen liegt ein zyklischer Prozess vor, der so lange wiederholt wird, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist. Im Bauraum oder der Prozesskammer 1 ist vorteilhaft während des Bauprozesses ein Schutzgas vorliegend, um Oxidation oder Nitrierung zu vermeiden und um bevorzugt Prozessnebenprodukte abzutransportieren. Als Schutzgas kann beispielweise ein Inert-Gas verwendet werden. Beim Prozess der Herstellung des Bauteils wird zunächst über einen Beschichter das Werkstoff pulver, insbesondere Metallpulver, auf der Bearbeitungsebene 2 verteilt, wobei das Pulver beispielsweise aus 10 pm bis 60 pm großen Pulverkörnern bestehen kann. Nachdem der Beschichter einen vollständigen Auftrag des Pulvers im Bereich der Bearbeitungsebene 2 erreicht hat, kann in einem nächsten Schritt die Belichtungsphase oder die Belichtung erfolgen. Dazu wird mittels Laser das Pulver an vorbestimmten Stellen aufgeschmolzen, an denen das Bauteil entsprechend aufgebaut wird. Zudem ist es möglich, die bereits verfestigte Schicht darunter auch teilweise mit aufzuschmelzen, um beispielsweise ein dichteres Bauteil zu erhalten.

Für den Prozessschritt der Belichtung ist eine Belichtungsstrategie nötig, die beispielsweise über die Maschinensteuerung an die Scannereinheit ausgegeben wird, sodass der Energiestrahl und insbesondere der Laser entsprechend angesteuert werden können und beispielsweise über den einen oder mehrere Spiegel entsprechend umgelenkt werden können. Der Scanner 3 in Fig. 1 weist beispielhaft nur ein optisches Element 4 auf, wobei in der Praxis jedoch auch mehrere optische Elemente 4, beispielsweise zwei oder mehr Spiegel oder Linsen, vorgesehen sein können. Nach der Belichtungsphase kann die Bauplattform abgesenkt werden, sodass über den Beschichter ein neues Aufträgen einer Pulverschicht erfolgen kann. Schichtdicken können beispielsweise im Bereich von 20 pm und 100 pm liegen. Nach entsprechendem Auftrag der nächsten Schicht durch den Beschichter kann wiederrum eine Belichtungsphase folgen. Am Ende des Aufbauvorgangs kann das fertige Bauteil, welches beispielsweise noch an einer Bauplatte befestigt ist, aus der Prozesskammer 1 entnommen werden und das überschüssige Pulver kann beispielsweise abgesaugt werden. Eine Vielzahl von Einflussgrößen bestimmen die Qualität des herzustellenden Bauteils. Die Einflussgrößen umfassen beispielsweise die Prozessgasführung. Während des Bauprozesses kann insbesondere Schutzgas in der Prozesskammer 1 geführt werden, beispielsweise zum Abtransport von Prozessnebenprodukten von der Schweißstelle und/oder zum Schutz des Materials vor Oxidation. Die Prozessgasführung kann als Einflussparameter auf die Herstellung folgendes umfassen: verschiedene Arten von Schutzgas, die Schutzgasströmung, die Schutzgasströmungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit. Weitere Einflussfaktoren sind zudem der Laser (Laserparameter), die optische Einheit und weitere Maschineneinflussgrößen. Zudem ist ein wesentlicher Einfluss auch die Ausbildung des Schmelzbades, beispielsweise die Dynamik und die Ausbreitung oder die Geometrie des Schmelzbades. Ein weiterer Einflussfaktor ist natürlich auch das Material des Pulverwerkstoffes. Zu den Einflussgrößen, die den Laser betreffen, gehören einerseits die Laserleistung und die Scangeschwindigkeit sowie die Bauraumposition und die Belichtungsstrategie.

Zur Beobachtung und Überwachung des Schmelzbads können fotodiodische Sensoren (eines Erfassungssystems) verwendet werden. Zur optimierten Überwachung des Schmelzbads (und der Erfassungsparameter) schlägt die vorliegende Erfindung eine Optimierung der Schmelzbadüberwachung vor, insbesondere durch dynamische Adaption eines Sensorwerts (Sensorausgabewerts oder auch „elektrisches Signal“ erzeugt, basierend auf der Rückstrahlung), welche sogar während der Belichtungsphase erreicht werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist zudem eine statische Anpassung mittels Filter möglich, die beispielsweise vor der Belichtungsphase durchgeführt werden kann, um den Informationsgehalt des Sensorsignals weiter zu optimieren. Durch die Kombination dieser speziellen, insbesondere dynamischen Adaption der Sensorsignale und der damit verbundenen optimierten Schmelzbadüberwachung ist es möglich, eine sehr gute Bauteilqualität zu erreichen, da bereits beispielsweise während des Herstellungsprozesses auf erkannte Abweichungen reagiert werden kann. Beispielsweise kann die Laserleistung angepasst werden in einem Fall, in dem der fotodiodische Sensor (oder die fotodiodischen Sensor-Arrays 9) eine bestimmte Sättigung oder das Überschreiten eines Grenzwerts erfassen.

Basierend auf der optimierten Schmelzbadüberwachung mittels Erfassungssystem ist es möglich, beispielsweise über die Maschinensteuerung eine optimale Bauteilqualität zu erreichen und somit basierend auf zumindest einem Ausgabewert des einen oder der mehreren fotodiodischen Sensoren 9 des Erfassungssystems den Laserfokus, die Belichtungsstrategie, die Laserleistung, die Scangeschwindigkeit, die Schichtdicke, den Hatchabstand und die Belichtungsstrategie möglichst verzögerungsfrei anzupassen, um eine optimale Bauteilqualität zu erreichen. Insbesondere kann dazu der (insbesondere angepasste) Ausgabewert des Sensors des Erfassungssystems direkt an die Maschinensteuerung geführt werden, um eine möglichst zeitnahe Anpassung zu ermöglichen. Insbesondere wird somit eine optische Echtzeitüberwachung mittels dynamisch an passbarem Erfassungssystem vorgeschlagen.

Konkret schlägt die vorliegende Erfindung beispielsweise als Lösung vor, im Herstellungsprozess im Falle einer Sättigung, die Verstärkung automatisch und sofort zu senken, um eine Beschädigung der Sensoren zu vermeiden. Ebenso kann ein zu niedriges Signal, welches einen festgelegten Schwellenwert (von z.B. 0,2 V im Messintervall [0; 4,2 V) unterschreitet, eine Erhöhung der elektronischen Signalverstärkung durchführen, um ein Signal hinsichtlich der signal-to-noise-ratio deutlich zu verbessern. Die Drosselung bzw. Verstärkung erfolgt dabei vorteilhaft um eine definierte Schrittlänge, bis in einem Zeitintervall von z.B. 500 psec keine Sättigung mehr auftritt.

In Fig. 2a ist dazu schematisch ein Diagramm gezeigt, bei dem die Einschaltzeit 10 des Lasers über der Zeit aufgetragen ist und gleichzeitig zwei verschiedene Szenarien abgebildet sind, wobei im ersten Szenario ein elektronisches Signal 11 gezeigt ist, für den Fall der Sättigung der Sensoren und mithin einen überhöhten Sensorausgabewert. Das elektronische Signal 11 wird erzeugt durch auftreffende Fotonen auf reaktive Flächen der Fotodioden 9. Im Fall der niederen Ausbeute wird ein elektronisches Signal 12 dargestellt, welches wiederum erzeugt wird durch auftreffende Fotonen auf reaktive Flächen der Fotodioden 9 und einen sehr niedrigen Sensorausgabewert erzeugt. Wie aus Fig. 2a ersichtlich, wird im Falle der Sättigung der Sensoren, das elektronische Signal 11 aktiv abgeschwächt (dynamische Verstärkungseinstellung), um aus dem Sättigungsbereich des Sensors geführt zu werden. Im Fall der niederen Ausbeute wird das elektronische Signal 12 wiederum aktiv verstärkt im Verstärkungsintervall 12A. Die Drosselung des elektronischen Signals 11 hingegen findet beispielsweise im Drosselungsintervall 13 statt. Vorteilhaft und optional ist zudem eine weitere noch genauere Anpassung der Signalverstärkung möglich, nach der ersten Anpassung gemäß der Drosselung 13 oder Verstärkung 12A in einem weiteren Anpassungsintervall 14.

Im Ergebnis kann ein vorteilhafter Sensorwert im Idealbereich des zulässigen Ausgabebereichs des Sensors liegen, sodass eine möglichst exakte Ausgabe des Sensorwerts erreicht wird.

Mithin wird ein Prüfintervall vorgeschlagen, in dem ein zu niedriges Signal verstärkt werden kann oder ein gesättigtes Signal gedrosselt werden kann, um einen optimalen Sensorausgabewert zu erreichen. Optional ist es möglich, ein weiteres Prüfintervall (z.B. 2 see) vorzusehen, welches eine Nachjustage durchführen kann. Besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, ein drittes optionales Prüfintervall vorzuziehen für eine finale Nachjustage, sodass das Sensorsignal bevorzugt exakt in der Mitte der Skala (Messskala) des Sensors platziert werden kann und somit die Gültigkeit der Einstellung für den gesamten Prozess validiert wird. Somit wäre für jedes Material oder jeden Werkstoff das Eingabe-/Ausgabesignal exakt in der Mitte der Messskala, wobei beispielsweise die Obergrenze der Messskala die Sättigung des Sensors sein kann. Beispielsweise kann das Signal so in einem Bereich von 2,1 V liegen bei einem Messintervall im Bereich von 0 bis 4,2 V. Vorteilhaft ist es daher möglich, auf einfach und effiziente Weise eine Aussage über lokale Intensitätsmini ma und -maxima material- und parametrisierungsunabhängig zu tätigen. Es ergibt sich eine deutlich vereinfachte allgemeine Analytik der Signale, sodass sowohl die Intensitätsminima wie auch die -maxima ein pa reto-optimal en Wertbereich annehmen können.

Eine weitere maßgebliche Verbesserung wurde festgestellt für die Konfiguration, dass nach der eigentlichen Belichtungsphase, in der die oben genannten Prüfintervalle vorliegen, in einem Zustand bei ausgeschaltetem Laser ein Werteintervall zur Beschreibung des Nullrauschens vorgesehen ist (zur Ermittlung eines statistischen Mittels zur digitalen Filterung des Signals). Dieses Wertei nterva II (oder Beobachtungsintervall) ist somit vorgesehen, um ein Nullrauschen des Systems und insbesondere der Prozesskammer 1 sowie der Optik 3 zu ermitteln und diesen dadurch ermittelten Wert heranzuziehen, um die Schwellenwerte oder den Wertebereich für den fotodiodischen Sensor 9 (oder die fotodiodischen Sensoren) entsprechend einzustellen und somit einen Grundwert festzulegen, basierend auf welchen die später in den nächsten Prüfintervallen herangezogenen Schwellenwerte ermittelt werden können (beispielsweise durch Addition des Vorgabewerts zum Wert des Nullrauschens). Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist es möglich, die Schwellenwerte oder den zulässigen Bereich des Sensors (fotodiodischer Sensor 9) entsprechend präzise vorzugeben, sodass Fehler aufgrund des Nullrauschens minimiert werden können.

In Fig. 2b ist eine weitere Darstellung gezeigt, bei der die Anordnung der Prüfintervalle Pi, P2, P3, PN und des Werteintervalls W in Relation zur Aktivierung des Lasers (Laser ON, Laser OFF) dargestellt sind und wobei zusätzlich auch der GAIN oder Verstärkungsfaktor des Sensors (Empfängers) dargestellt wird.

Beispielsweise kann für den Fall, in dem der Laser aktiviert wird, also der Laser auf ON gestellt wird, gemäß der obersten Kurve in Fig. 2b ein erstes Prüfintervall Pivorgesehen sein, welches in einer beispielhaften Ausführungsform gleichzeitig mit der ersten Aktivierung des Lasers vorgesehen ist, sodass direkt beim Aktivieren des Lasers eine Überprüfung des Sensorwerts durchgeführt wird. Die Überprüfung des Sensorwerts kann beispielsweise ein Vergleich sein und zwar ein Vergleich des Sensorwerts mit beispielsweise einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle, welche den erwünschten Wertbereich des Sensorausgabesignals festlegen können. Wie bereits erwähnt, kann die obere und untere Schwelle unter Berücksichtigung des in einem Werteintervall festgestellten Nullrauschens für eine spezielle Konfiguration der SLM-Anlage ermittelt werden.

Wird nun beispielsweise in einem Prüfintervall ein Überschreiten der oberen Schwelle festgestellt, so kann direkt und unmittelbar über die Verstärkungsschaltung, die beispielsweise direkt am fotodiodischen Sensor vorgesehen sein kann, eine Reduktion der Verstärkung erreicht werden, beispielsweise durch elektronische Verstellung des Verstärkungsfaktors oder beispielsweise durch Einwechslung eines Filters in den Strahlengang der Rückstrahlung über beispielsweise servomotorische Ansteuerung einer Filteraufnahme. Vorteilhaft wird somit direkt im Prüfintervall einerseits ein Vergleich des Sensorausgabesignals durchgeführt und zusätzlich auch eine direkte Anpassung der Verstärkung.

In einem Fall, in dem beispielsweise das Sensorsignal eine untere Schwelle unterschreitet, kann wiederum der Verstärkungsfaktor beispielsweise elektronisch erhöht werden und/oder es kann über entsprechende Ansteuerung der Filteraufnahme ein anderer Filter in den Strahlengang der Rückstrahlung gewechselt werden oder beispielsweise der Filter komplett aus dem Strahlengang der Rückstrahlung genommen werden, um das Signal entsprechend verstärken zu können. Vorteilhaft können als Filter Neutraldichtefilter oder auch wellenlängenspezifische Filter zur Intensitätsregelung verwendet werden, wie beispielsweise in Figur 6 oder 8 gezeigt und beschrieben.

In Fig. 2b ist im Prüfintervall Pi exemplarisch dargestellt, dass die Verstärkung (der GAIN) von einem Startwert Gstart auf einen Wert reduziert wird (in Richtung GLOW), da in diesem Beispiel festgestellt wurde, dass der Sensorausgabewert die obere Schwelle überschreitet. Nach dem ersten Prüfintervall Pi kann nach einer Wartezeit oder bevorzugt direkt im Anschluss, also ohne Wartezeit, das zweite Prüfintervall P2 folgen, bei dem wiederum ein Vergleich des Sensorausgabesignals erfolgt. Im vorliegenden Beispiel wiederum wird eine weitere Reduktion der Verstärkungseinstellung bewirkt. Wiederum im dritten Prüfintervall P3 kann eine weitere Reduktion der Verstärkungseinstellung bewirkt werden. Die Prüfintervalle P1-P3 bewirken somit eine Änderung der Verstärkung gemäß der Anpassungsintervalle Ji- J3. Für das dargestellte Beispiel kann die Verstärkung in einem Bereich zwischen Gi _ow und Ghigh liegen, wobei bevorzugt der Startwert (bevorzugt immer) auf Gstart festgelegt ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann unabhängig von verwendetem Werkstoff oder der verwendeten Belichtungsstrategie oder dem Fertigungsplan eines individuellen Werkstücks stets der Startwert Gstart als Verstärkungsfaktor von vornherein festgelegt sein, und das System kann automatisch mit Beginn der Fertigung und insbesondere dem Beginn der Belichtungsphase über die Prüfintervalle beispielsweise Pi- P3 direkt und unmittelbar eine Anpassung der Verstärkung durchführen, sodass eine besonders anwenderfreundliche, einfache und unkomplizierte optimale Ausgabe des Sensorwerts erreicht werden kann.

Wie in Fig. 2b dargestellt, ist es zudem möglich, weitere Prüfintervalle während der Belichtungsphase bzw. während der Zeit des aktivierten Lasers vorzusehen. Diese weiteren Prüfintervalle sind exemplarisch mit PN bezeichnet. Vorteilhaft sind diese zusätzlichen Prüfintervalle zyklisch vorgesehen, nach einer vorbesti mm baren Mindestzeit. Dadurch ist es möglich, kontinuierlich während der Belichtungsphase eine Anpassung der Ausgabe des Sensorwerts zu erreichen und einen stets optimalen Sensorausgabewert zu gewährleisten. Ein in Fig. 2b dargestelltes Prüfintervall PN wiederum erfordert exemplarisch eine Verstärkung des Verstärkungsfaktors, sodass der GAIN in diesem Intervall erhöht wird. In Fig. 2b ist zudem ein exemplarischer Wert des Intervalls dargestellt, der zeitlich in einem Bereich vorgesehen ist, in dem der Laser deaktiviert ist, also der Laser auf OFF gestellt ist. In diesem Werteintervall kann das Nullrauschen erfasst werden. Basierend auf dem erfassten Nullrauschen können wiederum die Schwellenwerte für den vorhin genannten Vergleich des Sensorwerts ermittelt werden. Beispielsweise kann der ermittelte Wert des Nullrauschens von vorgegebenen idealen Schwellenwerten abgezogen werden. Das Werteintervall W kann vorteilhaft jeweils vor oder nach einer Belichtungsphase vorgesehen sein, sodass eine automatische Einstellung der optimalen Schwellenwerte erfolgen kann.

Die Verstärkungseinstellung kann bevorzugt durch eine Elektronik erreicht werden, die im- bzw. am Sensor innerhalb von Nano- bis Mikrosekunden auf die Sättigung reagiert und die Verstärkung verändert sowie den neuen Einstellungswert speichert und an einer Schnittstelle für die Maschinensteuerung oder einen Computer der Laserstrahlschmelzanlage (oder einen Rechner, der im Netzwerk durch die Vorrichtung beschickt werden kann) auslesbar macht oder an diese ausgibt. Die Elektronik wird bevorzugt in einem Gehäuse untergebracht und mit den Fotodioden oder der Fotodiode als Eingangssignal verbunden. Eine solche Verstärkungselektronik im Gehäuse 15 ist beispielsweise in Fig. 3 dargestellt. Die Verstärkungselektronik 15 ist mit dem fotodiodischen Sensor 9 verbunden, um als Eingangssignal den Fotodioden Ausgangswert zu erhalten. Die Regelung der Signalverstärkung wird auf einer oder mehreren Platinen fest verlötet und enthält unter anderem einen programmierbaren Mikrokontroller z.B. FPGA und eine analoge oder serielle Schnittstelle zur Weitergabe der Messdaten und Verstärkungseinstellung an einen Computer.

In Fig. 2c ist beispielhaft der Laserstrahl L dargestellt, der entlang der Scanrichtung SC bewegt wird. Der Laserstrahl L schmilzt das Pulver auf und formt ein Schmelzbad, indem beispielsweise das Plasma P vorliegt. Zudem ist in Fig. 2c die Strömungsrichtung des Schutzgases, die Schutzgasströmungsrichtung SS, dargestellt, welche vorliegend exemplarisch in dieselbe Richtung wie die Scanrichtung verläuft. Besonders bevorzugt verläuft die Scanrichtung SC und Schutzgasströmung SS jedoch gegenläufig. Verschiedene Arten von Defekten können im Bereich des Schmelzbads SB auftreten. Beispielsweise das Kondensat Dl sowie das ausgestoßene Pulver D2 sowie die Spritzer D3, welche an der Oberfläche des Bauteils anhaften können. Die Fokussierung des Laserlichts wie auch die Scanrichtung sowie die Richtung der Schutzgasströmung sind dabei wesentliche Einflussfaktoren auf die Bauteilqualität. Die entstehenden Prozessnebenprodukte und Defekte, wie sie beispielsweise in Fig. 2c dargestellt sind, können dazu führen, dass der Strahlengang des Lasers beeinflusst wird, sodass es zu einer Defokussierung des Laserlichts kommen kann. Eine solche Defokussierung oder Aufweitung des Laserstrahls im Bereich des Schmelzbads kann zu einer negativen Auswirkung auf die Bauteilqualität führen. Mithin ist es maßgeblich, eine möglichst präzise Überwachung des Schmelzbads zu erreichen, um Prozessparameter wie beispielsweise die Stärke des Laserlichts, die Richtung und Geschwindigkeit des Laserscanners, wie auch die Schutzgasströmungsrichtung SS optimal einzustellen bzw. in einer vorteilhaften Weiterbildung dynamisch einzustellen abhängig von erfassten Sensorausgabewerten der Fotodiode 9. Durch die optimierte Schmelzbadüberwachung können (mittels Erfassungssystem mit Empfänger, d.h. Sensor) die Defekte reduziert werden, da die Prozessparameter sehr genau bestimmt werden können und da das Sensorsignal des Empfängers insbesondere dynamisch angepasst werden kann.

Wie in Fig. 3 dargestellt, kann der eine oder die mehreren fotodiodischen Sensoren 9 nun derart angeordnet werden, dass im Strahlengang der Rückstrahlung aus dem Schmelzbad bzw. der Emission 7 aus dem Schmelzbad, ein optischer Filter 8 oder ein Strahlteiler vorgesehen ist, der direkt vor dem fotodiodischen Sensor oder den fotodiodischen Sensoren 9 vorgesehen ist. Durch das Platzieren eines optischen Filters 8 in den Strahlengang der Rückstrahlung bzw. der Emission 7 aus dem Schmelzbad, kann diese reduziert werden, sodass der vom Sensor empfangene Emissionswert (dynamisch) reduziert werden kann und mithin auch ein Sensorausgabewert bzw. ein Sättigungswert der Sensorausgabe angepasst werden kann. Eine Verstärkungsschaltung kann beispielsweise direkt beim fotodiodischen Sensor 9 angeordnet sein, insbesondere auf der derselben Platine. Alternativ ist es jedoch auch möglich, eine Verstärkungselektronik 15 in einem Gehäuse vorzusehen, welches direkt mit den fotodiodischen Sensoren 9 verbunden ist und die Verstärkung entsprechend einstellt. Wird ein festgelegter Schwellenwert überschritten bzw. unterschritten, kann eine Erhöhung oder eine Absenkung der elektronischen Signalverstärkung direkt bewirkt werden, sodass das Ausgabesignal sich hinsichtlich des signal-to-noise-ratio deutlich verbessert. Das ausgegebene Sensorsignal kann mithin in einer idealen Position an der Messskala des Sensors platziert werden, um möglichst präzise Ausgabewerte erreichen zu können. Somit ist eine präzise Aussage über Intensitätsminima und -maxima material- und parametrisierungsunabhängig möglich. Es ergibt sich eine deutlich vereinfachte allgemeine Analytik der Signale, die sowohl Intensitätsminima wie auch Maxima eines pa reto-optimal en Wertebereichs annehmen können. Die Anpassung des Sensorwerts erfolgt in der in Fig. 3 angestellten Vorrichtung vorteilhaft durch eine Kombination aus mechanisch aktuierbaren optischen Filtern 8, zur Abmilderung der empfangenen Strahlen aus der Emission 7 des Schmelzbads sowie zusätzlich durch die elektronische Verstärkungseinstellung über die Verstärkungselektronik 15. Diese Kombination stellte sich als besonders vorteilhaft heraus, da eine präzise und verzögerungsfreie (dynamische) Anpassung der Verstärkung erreicht werden kann. Alternativ ist es jedoch auch möglich, lediglich über die elektronische Verstärkung, also die Verstärkungselektronik 15, direkt den Ausgabewert und die Verstärkung anzupassen oder alternativ nur über die Verwendung der mechanisch einwechselbaren optischen Filter 8.

Fig. 4 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Ähnlich wie in Fig. 1 und 3 bereits beschrieben, ist der Laser 5 vorgesehen, welcher den Laserstrahl 6 emittiert, der über das optische Element 4 auf die Bearbeitungsebene 2 zur Bauteilherstellung und mithin Ausbildung des Schmelzbads gerichtet wird. Die Emission 7 aus dem Schmelzbad kann über das optische Element 4 ausgekoppelt werden und dem fotodiodischen Sensor 9 zugeführt werden (obwohl der fotodiodische Sensor 9 als einzelner Sensor beschrieben wird, umfasst die vorliegende Offenbarung auch die Anordnung mehrerer Dioden als Array sowie die Anordnung mehrerer unterschiedlicher Dioden zu noch präziseren Auswertung der Emission aus dem Schmelzbad; beispielsweise eine Fotodiode für den sichtbaren Bereich, eine Fotodiode für den ultravioletten Bereich und eine für den infraroten Bereich). Die Emission 7 aus dem Schmelzbad wird wiederum an den optischen Filter 8 (bevorzugt Neutraldichtefilter) geleitet und nachfolgend dem fotodiodischen Sensor 9 zugeführt. Die optische Filtereinheit 8, wie in Fig. 4 dargestellt, kann verschiedene Ausführungsarten umfassen. Beispielsweise kann eine scheibenförmige Filteraufnahme vorgesehen sein, welche gleichmäßig am Umfang 6 verschiedene oder gleiche Filterpositionen mit entsprechenden Filtern oder als freie Durchgangsöffnung aufweist. Die Scheibe kann dabei um einen Drehpunkt drehbar angeordnet sein, derart, dass die verschiedenen Filterpositionen in den Strahlengang der Rückstrahlung in Richtung des fotodiodischen Sensors 9 angeordnet werden können. Somit kann durch Verdrehung der Scheibe ein Filteraustausch bewirkt werden. Vorteilhaft ist die Filteraufnahme in einem eigenen Gehäuse 17 vorgesehen zum entsprechenden Schutz und zur Abschirmung von der Umgebung.

Somit kann im Falle einer Sättigung oder eines zu niedrigen oder sehr rauschbehafteten Signals eine elektronische und/oder mechanische Regelung vorgenommen werden. Die elektromagnetische Welle im Wellenlängenbereich der Beobachtung kann durch die stets verlustbehafteten Transmissionen und Reflektionen an den optischen Bauteilen wie Linsen, Umlenkspiegeln und dichroitischen Spiegeln sowie an Schutzgläsern auch optisch abgeschwächt sein. Neben der dynamischen elektronischen Verstärkung wird zusätzlich eine adaptive (dynamische) optische Filterung vorgeschlagen (bevorzugt mit Neutraldichtefiltern).

In beispielsweise einer rotatorischen Aufnahme werden dafür optische Filter mit verschiedener Neutraldichte eingesetzt, welche dann je nach elektronischer Auswahl in den Beobachtungsstrahlengang eingeschwenkt werden gemäß (a) wie in Fig. 4 dargestellt. Zudem kann auch ein variabler Neutraldichtefilter nach dem Prinzip der Verdrehung von hintereinander angeordneten Polarisationsfiltern, siehe (b) in Fig. 4, verwendet werden. Die Auswahl des optischen Filters bzw. der Verlängerungsfaktor hat dabei keinen Einfluss auf die Belichtungszeit der optoelektronischen Sensorik, sodass eine ungewollte Rückkompensation ausgeschlossen ist. Die mechanische Verstellung ist ein in sich geschlossenes Bauteil mit standardisierten mechanischen und elektrischen Schnittstellen, und die verwendeten optischen Filter sind bevorzugt Standardfilter, welche im Hinblick auf die zu erwartenden elektromagnetischen Emissionen im UV-, VIS- und IR-Spektrum im selektiven Laserstrahlschmelzprozess ausgewählt sind.

Die Aufnahmen für die Filter sind in Gehäusen untergebracht und werden mittels einer Elektronik mit Servoschrittmotoren oder geeigneten Justierantrieben in ihre gewünschte Position gebracht. Die notwendigen Bauteile zur Ansteuerung der Motorik und ein programmierbarer Mikrokontroller, z.B. FPGA, sowie serielle und analoge Schnittstellen zur Bestimmung der Position der Ansteuerung werden bevorzugt auf einer Platine verlötet. Die optische Regelung kann somit mit diesem mechanischen Ansatz eine weitere geeignete Anpassung des Signals erzeugen.

In Fig. 5 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung in der automatischen Signalregulierung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die automatische und direkte Signalregulierung durch Anpassung der elektronischen Vorverstärkung und/oder optischen Adaption durch die Filter (insbesondere Neutraldichtefilter) können einzeln und in Kombination angewendet werden. Somit kann das größtmögliche Intensitätsspektrum hinsichtlich der signal-to-noise-ratio automatisch und in-situ optimiert werden. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist eine bevorzugte Regelung der Schritte im Prüfintervall dargestellt.

In einem ersten Schritt in Fig. 5 kann eine Überprüfung stattfinden, mit der geklärt wird, ob die Bearbeitung mit dem Laser überhaupt aktiv ist. Wird nun festgestellt, dass die Bearbeitung aktiv ist, Ergebnis also Ja, kann in einem nächsten Schritt ein Vergleich des Sensorausgabewerts A zu einem aktuellen Zeitpunkt C sowie eines maximalen Ausgabewerts B der Sensorik durchgeführt werden. Dazu kann beispielsweise auch ein Sensor spezifischer Idealwert („D“) z.B. B ¥2 herangezogen werden. Wird nun bei der Abfrage der Laserbearbeitung festgestellt, dass der Bearbeitungslaser nicht aktiv ist, also Antwort Nein, kann als Ergebnis ein sensorspezifisches Intervall („E“) des Ausgabewerts über den Zeitraum F auf einen Wert gesetzt werden, welcher beispielsweise den Sensorausgabewert A (für die endliche Dauer F zu akquirierender Daten im deaktivierten Zustand des Lasers) im Verhältnis zum maximalen Ausgabewert B der Sensorik setzt. Für den Fall, dass der Bearbeitungslaser aktiv ist und dies entsprechend mit Ja festgestellt wurde, kann ein Sensorausgabewert A entsprechend der in Fig. 5 dargestellten Abfragen ermittelt werden. Zusätzlich, bei Vorhandensein weiterer Sensoren, können die Ausgabewerte weiterer Sensoren G entsprechend der jeweiligen maximalen Ausgabewerte der Sensorik B sowieso dem aktuellen Zeitpunkt C ins Verhältnis gesetzt werden und verglichen werden mit beispielsweise einem sensorspezifischen Idealwert D, der beispielsweise B ¥2 ist (beispielsweise der maximale Ausgabewert der Sensorik geteilt durch 2). Zudem kann festgestellt werden, ob der Ausgabewert der weiteren Sensoren G zum aktuellen Zeitpunkt C im Verhältnis zum maximalen Ausgabewerts der Sensorik B ungefähr dem Sensor spezifischen Idealwert D entspricht. In einem solchen Fall, wenn somit der Sensor spezifische Idealwert erreicht wird, ist keine Verstärkung oder Abschwächung nötig. Wird hingegen festgestellt, dass der Ausgabewert der weiteren Sensoren G von diesem sensorspezifischen Idealwert D abweicht und beispielsweise der Ausgabewert der weiteren Sensoren G im Verhältnis zum maximalen Ausgabewert der Sensorik im Verhältnis 1:1 sind oder wesentlich größer als der Sensor spezifische Idealwert, kann eine in-situ Regelung der elektronischen Signalverstärkung, siehe Regelungsblock M in Fig. 5, durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine in-situ Regelung der Signalstärke durch Änderung der optischen Filter, siehe S in Fig. 5, durchgeführt werden.

Entsprechend kann eine Regelung der Signalstärke nach ,M‘ (in-situ Regelung der elektrischen Signalverstärkung) oder ,S‘ (in-situ Regelung der Signalstärke durch optische Filter) auch aufgrund der Abfrage durchgeführt werden, bei der der Ausgabewert der weiteren Sensoren G ins Verhältnis zu dem maximalen Ausgabewert der Sensorik B gesetzt wird und dieses Verhältnis im Bereich von 0 liegt oder dieses Verhältnis wesentlich kleiner als der sensorspezifische Idealwert D ist. Zudem kann eine Abfrage vorliegen die eine Regelung der Signalstärke nötig macht bei Feststellung, dass der Ausgabewert der weiteren Sensoren G zum Zeitpunkt C (aktueller Zeitpunkt), einem Wert entspricht aus einer Menge des sensorspezifischen Intervalls des Ausgabewerts (über den Zeitraum F), siehe E in Fig. 5.

Ähnlich zu der Abfrage bezüglich der Ausgabewerte der weiteren Sensoren G kann auch die Abfrage des Sensorausgabewerts A (wie in Fig. 5 dargestellt) durchgeführt werden. In den ersten drei Abfrageblöcken (nach der Abfrage, ob der Laser aktiv ist, mit dem Ergebnis „ja“) wird im obersten Abfrageblock eine Abfrage des Sensorausgabewerts A zum aktuellen Zeitpunkt C im Verhältnis zu dem maximalen Ausgabewert „B“ der Sensorik festgestellt (A(C)/B » D; B ® 1; A(C)/B = 1). Das Verhältnis wird beispielsweise verglichen mit einem Sensor spezifischen Idealwert D und damit wird festgestellt, ob das Verhältnis wesentlich größer als dieser Sensor spezifische Idealwert D ist. Zudem wird geprüft, ob dieses Verhältnis im Wesentlichen „1“ entspricht. Sollte dies der Fall sein, so ist folgend dem oberen Block eine weitere Abfrage vorgesehen, gemäß der Regelungsblock „M“ in-situ Regelung der elektronischen Signalverstärkung.

Im mittleren Abfrageblock (A(C)/B « D) wird wiederum die Abfrage des Verhältnisses durchgeführt, um festzustellen, ob dieses Verhältnis im Wesentlichen dem Sensor spezifischen Idealwert D entspricht. Sollte dies der Fall sein, ist keine Verstärkungsanpassung nötig. Im unteren Abfrageblock (A(C)/B « 0; A(C) E; A(C)/B << D) hingegen wird festgestellt, ob dieses Verhältnis im Wesentlichen 0 entspricht oder ob dieses wesentlich kleiner als ein Sensor spezifischer Idealwert D ist. Zudem wird ermittelt, ob der Sensorausgabewert A zum aktuellen Zeitpunkt C ein Element aus der Menge E ist (sensorspezifisches Intervall des Ausgabewerts über den Zeitraum F). Wird nun im unteren Abfrageblock zumindest eine Bedingung erfüllt, so wird auch hier festgestellt, dass eine Regelung notwendig ist und eine in-situ Regelung der elektronischen Signalverstärkung, gemäß Regelungsblock ,M‘, wird durchgeführt.

Im Regelungsblock ,M‘, der in-situ Regelung der elektronischen Signalverstärkung, wird zunächst auf den aktuellen (,C‘) Verstärkungsfaktor H der Sensorik abgestellt, insbesondere in Dezibel. Der aktuelle Verstärkungsfaktor der Sensorik H zum aktuellen Zeitpunkt C wird ins Verhältnis gesetzt mit dem maximalen Verstärkungsfaktor der Sensorik I und/oder mit dem maximalen Ausgabewert der Sensorik B. Zudem wird geprüft, ob der aktuelle Verstärkungsfaktor der Sensorik H wesentlich größer als 0 ist. Wird nun festgestellt, dass zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist, wird der aktuelle Verstärkungsfaktor der Sensorik H zum aktuellen Zeitpunkt C auf den nächst kleineren vorgegebenen Verstärkungsfaktor gesetzt. Anschließend führt die Regelung wieder zurück zum ersten Schritt der Überprüfung, ob der Bearbeitungslaser aktiv ist, und ein erneuter Vergleich findet statt. Im Regelungsblock ,M‘ der in-situ Regelung der elektronischen Signalverstärkung wiederum erfolgt auch eine Überprüfung des aktuellen Verstärkungsfaktors H zum aktuellen Zeitpunkt C mit dem maximalen Verstärkungsfaktor der Sensorik I bzgl. des Absolutwerts in Relation zum Wert 0. Es wird ermittelt, ob der aktuelle Verstärkungsfaktor der Sensorik H zum Zeitpunkt C gleich 0 ist oder ob das Verhältnis des aktuellen Verstärkungsfaktors der Sensorik H zum Zeitpunkt C zum maximalen Verstärkungsfaktor der Sensorik I im Wesentlichen 0 entspricht. Wenn dies erfüllt ist, folgt der Regelungsblock ,S‘ die in- situ Regelung der Signalstärke durch Änderung der optischen Filter.

In diesem Regelungsblock ,S‘ werden wiederum eine Reihe von Abfragen gestellt, welche den optischen Abschwächungswert N zum aktuellen Zeitpunkt C heranziehen. Insbesondere wird der optische Abschwächungswert N zum aktuellen Zeitpunkt C ins Verhältnis gesetzt zu dem maximalen Abschwächungswert „0“ und es wird verglichen, ob dieses Verhältnis 1 oder im Wesentlichen 1 entspricht. Ist diese Abfrage positiv, so kann der optische Abschwächungswert N zum Zeitpunkt C auf den nächst kleineren Abschwächungswert gesetzt werden. In einer weiteren Abfrage wird festgestellt ob der optische Abschwächungswert N zum aktuellen Zeitpunkt C im Wesentlichen einem minimalen Abschwächungswert Q entspricht. Sollte dies der Fall sein, so kann mit einer Deaktivierung des Lasers reagiert werden und ein Stopp der Datenakquise kann bewirkt werden, sofern der optische Abschwächungswert dem minimalen Abschwächungswert entspricht. Sollte festgestellt werden im Vergleich des optischen Abschwächungswerts N zum aktuellen Zeitpunkt C im Verhältnis zum maximalen Abschwächungswert, dass dieses Verhältnis im Wesentlichen dem minimalen Abschwächungswert entspricht, so kann die Sensorik deaktiviert werden und die Ausgabe einer Warnung kann bewirkt werden. Besonders bevorzugt wird bei jedem der ungewünschten Fälle ein Hinweis ausgegeben.

In einer weiteren Abfrage kann die Ausgabe eines Hinweises bewirkt werden, für den Fall, dass der optische Abschwächungswert zum aktuellen Zeitpunkt C im Verhältnis zum maximalen Abschwächungswert im Wesentlichen dem minimalen Abschwächungswert entspricht. Zudem kann ein Vergleich stattfinden, ob der optische Abschwächungswert N zum aktuellen Zeitpunkt dem maximalen Abschwächungswert 0 entspricht und/oder ob der optische Abschwächungswert N zum aktuellen Zeitpunkt C sehr viel größer ist als der minimale Abschwächungswert Q. Sollte dies der Fall sein, kann der optische Abschwächungswert N zum aktuellen Zeitpunkt C auf den nächstgrößeren Abschwächungswert gesetzt werden.

Wie das vorteilhafte Regelungsbeispiel zeigt, kann durch entsprechende Signalvergleiche erreicht werden, dass eine ideale elektronische Vorverstärkung und eine optimale optische Adaption mittels Filter erreicht werden können, sodass der Sensor stets direkt im Idealbereich arbeitet.

Die in Fig. 5 dargestellten Fallunterscheidungen sind beispielhaft für ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel. Die Fallunterscheidungen sind herangezogen unter Verwendung von Ausgabewerten, welche bevorzugt immer im Verhältnis zum maximalen Ausgabewert betrachtet werden, um sie auf jegliche Typen von Sensorik und physische Messgrößen beziehen zu können.

Eine weitere („belichtungsphasen-statische“) Optimierung der Schmelzbadüberwachung kann zudem durch eine zusätzliche Filtereinheit erreicht werden, während im Ausführungsbeispiel beispielsweise in Fig. 3 bevorzugt optische Filter verwendet werden, welche nur Neutraldichtefilter sind, kann die zusätzliche Filtereinheit, wie sie beispielsweise in Fig. 6 dargestellt ist, eine Vielzahl von verschiedenen optischen Filtern verwenden, wie beispielsweise Kanten-, Verlaufspolarisations- und Indifferenzfilter. Die zusätzliche Filtereinheit kann zusätzlich oder alternativ zur optischen Filtereinheit 8 verwendet werden.

Metalle und Metalllegierungen die für da selektive Laserstrahlschmelzen in Pulverform vorliegen, emittieren entsprechend ihrer Temperatur Energie in Form von elektromagnetischen Wellen mit charakteristischen Wellenlängen. Es wird für den Fertigungsprozess ein Wellenlängenbereich mit geeigneter optischer Sensorik z.B. Fotodioden beobachtet, um das Verhalten des schmelzenden, flüssigen oder erstarrenden Materials nachzuvollziehen. Das individuelle thermische Spektrum der Metalllegierung lässt dabei auf seine Temperatur schließen. Es ist mithin erforderlich, für bestimmte Anwendungen das thermische Spektrum zu entschlüsseln und die Sensorik für die prozessgerechte Beobachtung zu optimieren.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, eine Mechanik vorzusehen, die von einer Elektronik bewegt werden kann, wobei der mechanische Teil eine zusätzliche Filteraufnahme umfasst für die Platzierung von optischen Filtern in den Beobachtungsstrahl der Emission aus dem Schmelzbad. Diese optischen Filter umfassen vorteilhaft Kantenfilter, Verlaufsfilter, Polarisationsfilter und Interferenzfilter, mit denen das Wellenlängenspektrum der zu beobachtenden Schmelzbademission vor dem Auftreffen auf die Messeinheit eingeschränkt wird. Die Fixierung der optischen Filter kann sowohl auf einem oder mehreren kreisrunden, verdrehbaren Aufnahmen (wie c) in Fig. 6) wie auch in einem oder mehreren individuell translatorisch beweglichen Vorschüben, (wie in d) der Fig. 6) erfolgen. Jede Aufnahme kann einzeln angesteuert werden, um entsprechend der Anzahl der Aufnahmen eine beliebige Kombination von Filtern in den Beobachtungsstrahl einzubringen.

Vorteilhaft wird die zusätzliche Filtereinheit somit dem fotodiodischen Sensor 9 vorgeschaltet, zusätzlich oder alternativ zur Filtereinheit wie sie in Fig. 3 oder 4 beschrieben ist. Jede Aufnahme kann einzeln angesteuert werden, um entsprechend der Anzahl der Aufnahmen eine gewünschte Kombination von Filtern in den Beobachtungsstrahl einzubringen, wobei die verdrehbaren Aufnahmen zudem mit einer Leerstelle versehen sein können, welche bei Eindrehen in den Beobachtungstrahl keine Filterung vornimmt.

Die Ansteuerung der Mechanik erfolgt über eine Elektronik, die Servoschrittmotoren oder geeignete Justierantriebe ansteuern. Die Auswahl der Filter entspricht der zu erwartenden elektromagnetischen Emission im UV-Spektrum, VIS-Spektrum und IR- Spektrum, welche mittels beispielsweise Spektroskopie und pyrometrischen Messungen im selektiven Laserstrahl-Schmelzprozess ermittelt werden können. Die optische Regelung mit Filtern für verschiedene Wellenlängenbereiche kann mit diesem mechanischen Ansatz eine geeignete Anpassung des Signals erzeugen, um im Fall einer Veränderung des Signals (z.B. durch den Materialwechsel) ein Messsignal hinsichtlich seines Informationsgehalts zu optimieren.

Das Abkürzungsverzeichnis für Figur 5 lautet wie folgt:

A = Sensorausgabewert

B = Maximaler Ausgabewert der Sensorik

C = aktueller Zeitpunkt

D = Sensorspezifischer Idealwert, z.B. B/2

E = Sensorspezifisches Intervall des Ausgabewertes über den Zeitraum F

F = Endliche Dauer zu akquirierender Daten im deaktivierten Zustand des Lasers

G = Ausgabewert(e) weitere(r) Sensor(en)

H = aktueller Verstärkungsfaktor der Sensorik (z.B. in dB)

I = Maximaler Verstärkungsfaktor der Sensorik

J = Nächstkleinerer eingespeicherter Verstärkungsfaktor

K = Nächstgrößerer eingespeicherter Verstärkungsfaktor

M = ln-situ Regelung der elektronischen Signalverstärkung

N = Optischer Abschwächungswert (z.B. OD)

0 = Maximaler Abschwächungswert

P = Nächstkleinerer Abschwächungswert

Q = Minimaler Abschwächungswert

R = Nächstgrößerer Abschwächungswert

S = In-Situ Regelung der Signalstärke durch Änderung der opt. Filter Wie in Fig. 6 dargestellt, kann beispielsweise ein Aufbau mit Neutraldichtefiltern, wie in Fig. 3 beschrieben, mittels der Konfiguration unter c) in Fig. 6 erreicht werden. Ein rotatorischer Wechsel von Neutraldichtefiltern unter c) (erste Filtervorrichtung) in Fig. 6 ist somit einfach möglich. Zusätzlich kann in die Rückstrahlung bzw. in den Strahlengang der Emission aus dem Schmelzbad die zweite Filtervorrichtung unter d) eingefügt werden, welche einen translatorisch eingeschobenen optischen Filter darstellt, wobei bevorzugt jede der zwei in Fig. 6 dargestellten Filtereinheiten ein separates Gehäuse aufweist und diese über eine gemeinsame Steuerelektronik 16 angesteuert werden können. Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird es ermöglicht, eine noch präzisere Filterung der Rückstrahlung zu erreichen, sodass einerseits über die Verwendung der Kanten-Verlaufs-Polarisation und/oder Interferenzfilter, wie auch zusätzlich durch die rotatorisch einzuwechselnden Neutraldichtefilter eine optimale Konditionierung der Rückstrahlung erfolgt, sodass einerseits der Sensor 9 optimal geschützt wird und zusätzlich auch eine optimale Auswertung des Sensorsignals ermöglicht wird. Zusätzlich ist vorteilhaft, natürlich auch die elektronische Verstärkungsverstellungvorgesehen, um einen Ausgabewert des Sensors im Idealbereich zu ermöglichen. Beispielsweise kann die erste Filtervorrichtung für die dynamische optische Filterung während der Belichtungsphase (bevorzugt unter Verwendung der Neutraldichtefilter) verwendet werden und die zweite Filtervorrichtung für die während der Belichtungshase statische optische Filterung (bevorzugt unter Verwendung von Kantenfilter, Verlaufsfilter, Polarisationsfilter und Interferenzfilter).

Die Intensität der messbaren elektromagnetischen Emission des Schmelzbades im selektiven Laserstrahlschmelzen hängt maßgeblich auch von der eingebrachten Energie und dem Absorptionsverhalten des verwendeten Metallpulvers ab. Der Werkstoff erlebt eine Temperatursteigerung und min. einen Phasenwechsel von der festen Partikelform in die flüssige Form. Entsprechend der Temperatur und dem charakteristischen Emissionsgrad des Werkstoffs verändert sich die transportierte Energie in Form der elektromagnetischen Emission spektral unterschiedlich. Es gilt, das Signalniveau durch die Einschränkung des Beobachtungsspektrums auf das Material und die zu erwartenden Temperaturschwankungen anzupassen (zum Beispiel mittels der genannten zweiten Filtervorrichtung).

In einer Weiterbildung wird eine computergestützte Datenbank vorgeschlagen welche bevorzugt mit der Maschinensteuerung und/oder dem Erfassungssystem verbunden sein kann oder zumindest Daten austauschen kann. Die Datenbank, welche beispielsweise in einer werkzeugmaschinenherstellerseitigen Cloud den einzelnen Werkzeugmaschinen bzw. deren Nutzern (insbesondere über SaaS) bereitgestellt wird, enthält die Informationen zum individuellen Prozess (aktueller Herstellungsprozess des Werkstücks). Das sind, in der Fertigungsmaschine für die Fertigungsiteration ausgewählte Parameterkombinationen (Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Rasterbahnabstand, Schichtstärke) und das verwendete Material. In einem statischen Teil der Datenbank sind zudem Messdaten hinterlegt, welche den Emissionsgrad eines Metalls für eine bestimmte Wellenlänge über einen Temperaturverlauf oder eine Prozessenergiebilanz korrelieren, (siehe Beispiel in Fig. 7) Über pyrometrische Messung von Temperaturen im selektiven Laserstrahlschmelzen können die entsprechenden Werte festgestellt werden. Die eingebrachte Prozessenergie lässt sich jedoch auch vorteilhaft aus der Parameterkombination berechnen.

Für den, im Ausgangszustand vorgeschalteten, wellenlängen-begrenzenden Filter wird das Signal mit der für das Material im beobachteten Spektrum erwarteten Intensität abgeglichen. Der Abgleich mit der statistisch ermittelten Kennwertlinie (gern. Datenbank) ermöglicht die Ermittlung des geeigneten Beobachtungsspektrums mithilfe einer automatisierten Suche. Dafür wird zunächst bewertet, ob das Signal deutlich über oder deutlich unter Hälfte des der Messskala liegt. Die Suche gleicht ab, welche Beobachtungswellenlänge im Verhältnis zur Abweichung des momentanen Signals von der Messskalen mitte die optimale Signalreduktion bzw. -erhöhung erzielt. Durch den Wechsel des optischen Filters wird entsprechend die Beobachtung auf das Spektrum gerichtet, welches ein zur Auswertung optimal nutzbares Signal-zu-Rauschen-Verhältnis besitzt. Schichtdaten sind nur miteinander vergleichbar, wenn die Messkonditionen über den Bauprozess gleich bleiben. Es ist daher notwendig, die Zeitintervalle für die automatische Signalanpassung durch wellenlängenspezifische Filter möglichst kurz zu halten, um den Informationsverlust durch die Skalenveränderung klein zu halten. Die automatische in-situ Signalregulierung durch Anpassung der wellenlängenspezifischen Filter ermöglicht das größtmögliche Informationspotenzial hinsichtlich der Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (signal-to- noise-ratio). Fig. 8 zeigt schematisch die einzelnen Schritte in der vorteilhaften Regelung des Systems. Die zur Fallunterscheidung herangezogenen Ausgabewerte werden immer in Verhältnis zum maximalen Ausgabewert betrachtet, um sie auf jegliche Typen von Sensoriken und physischen Messgrößen beziehen zu können

Das Abkürzungsverzeichnis für Figur 8 lautet wie folgt:

A = Sensorausgabewert

B = Maximalwert der Skala

C = aktueller Zeitpunkt

D = Mittlerer Wert, z.B. B/2

Vorliegende Merkmale, Komponenten und spezifische Details können ausgetauscht und/oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu erstellen in Abhängigkeit des geforderten Verwendungszwecks. Etwaige Modifikationen, die im Bereich des Wissens des Fachmanns liegen, werden mit der vorliegenden Beschreibung implizit offenbart.