SLM-Anlage und Verfahren zum Betreiben der SLM-Anlage

Bei einer SLM-Anlage handelt es sich um eine Anlage, bei der durch selektives Laserschmelzen (englisch: selective laser melting, SLM) eines Pulvers ein Bauteil schichtweise aufge baut wird. Bei großen Bauteilen kann ein sogenanntes hybrides selektives Laserschmelzen zum Einsatz kommen. Dabei wird zu erst ein Abschnitt des Bauteils durch ein anderes Herstel lungsverfahren, wie beispielsweise durch Gießen, hergestellt. Anschließend wird der eine Abschnitt in die SLM-Anlage einge bracht und ein anderer Abschnitt des Bauteils durch das se lektive Laserschmelzen auf den einen Abschnitt aufgebracht. Damit der eine Abschnitt und der andere Abschnitt möglichst genau aufeinanderpassen, wäre es wünschenswert, möglichst ge nau zu bestimmen, wo sich der eine Abschnitt in der SLM- Anlage befindet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine SLM-Anlage und ein Verfahren zum Betreiben der SLM-Anlage zu schaffen, mit denen mit einer möglichst hohen Genauigkeit bestimmbar ist, wo sich ein Bauteil in der SLM-Anlage befindet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer SLM-Anlage weist die Schritte auf: a) Bereitstellen eines Bauraums in der SLM-Anlage, der ein Bauteil und daran angrenzend ein Pul ver aufweist, wobei eine nach oben gewandte Oberfläche des Bauraums Bereiche, die von dem Bauteil gebildet sind, und an dere Bereiche aufweist, die von dem Pulver gebildet sind; b) Abrastern der nach oben gewandten Oberfläche mit Laserstrah lung, deren Leistung und Einwirkungsdauer derart gewählt wer den, dass das Bauteil und das Pulver nicht geschmolzen wer den; c) Detektieren von Strahlung, die aufgrund einer Wech selwirkung der Laserstrahlung mit dem Bauraum entsteht; d) Rückschließen von der in Schritt c) detektierten Strahlung auf eine Position und Abmessungen des Bauteils. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Posi tion und die Abmessungen des Bauteils mit einer besonders ho hen Genauigkeit zu bestimmen. Zudem kann in Schritt b) die gleiche Laserquelle wie bei einem anschließenden selektiven Laserschmelzen verwendet werden, so dass eine herkömmliche SLM-Anlage kostengünstig zum Durchführen des erfindungsgemä ßen Verfahrens nachrüstbar ist.

Wie hoch die Leistung und die Einwirkungsdauer der Laser strahlung zu wählen ist, hängt von vielen Eigenschaften des Bauteils und des Pulvers ab, wie beispielsweise von einer Oberflächenbeschaffenheit, von einer Absorptionsfähigkeit für die Laserstrahlung, von einer Wärmeleitfähigkeit, von einer Partikelgrößenverteilung und einer Packungsdichte des Pul vers. Diese Eigenschaften können sehr stark bei unterschied lichen Materialien variieren. Jedoch ist es problemlos und ohne großen Aufwand möglich, Versuche durchzuführen, bei de nen die Leistung der Laserstrahlung und/oder die Einwirkungs dauer der Laserstrahlung so lange variiert werden, das weder das Bauteil noch das Pulver geschmolzen werden und gleichzei tig in Schritt c) ausreichend von der Strahlung detektiert wird, dass die Position und die Abmessungen des Bauteils be stimmbar sind.

Bei der Wechselwirkung kann es sich beispielsweise um eine Reflektion und/oder um eine Streuung an der nach oben gewand ten Oberfläche des Bauraums handeln. Dies bedeutet, dass in Schritt c) von der nach oben gewandten Oberfläche des Bau raums reflektierte und/oder gestreute Laserstrahlung gemessen wird. Bei der Wechselwirkung kann es sich beispielsweise auch um eine Erwärmung des Bauraums handeln, was bedeutet, dass die Laserstrahlung zumindest teilweise von dem Bauraum absor biert wird und in Schritt c) eine von dem Bauraum emittierte Wärmestrahlung gemessen wird.

Es ist bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt aufweist: e) Identifizieren anhand der Abmessungen die in der nach oben gewandten Oberfläche des Bauraums angeordnete Fläche des Bau- teils in einem dreidimensionalen Computermodell, das das Bau teil beinhaltet. Zudem weist das Verfahren den Schritt auf: f) Aufbringen mindestens einer Schicht des Pulvers auf die nach oben gewandte Oberfläche des Bauraums und Erweitern des Bauteils durch selektives Laserschmelzen des Pulvers mittels Laserstrahlung in jeder der Schichten anhand der Position und der in dem dreidimensionalen Computermodell identifizierten Fläche. In Schritt a) wird ein Abschnitt des Bauteils bereit gestellt und in Schritt f) ein anderer Abschnitt des Bauteils durch das selektive Laserschmelzen fertiggestellt. Durch die Verfahrensschritte e) und f) wird vorteilhaft erreicht, dass in Schritt f) genau derjenige Teil des Computermodells herge stellt wird, der von dem einen Abschnitt nicht gebildet ist, und somit die der eine Abschnitt und der Abschnitt besonders gut aufeinanderpassen . Beispielsweise können so Fertigungsto- leranzen bei der Herstellung des einen Abschnitts kompensiert werden. Zudem ist es möglich das Bauteil frei von Kanten und/oder Graten herzustellen.

Es ist bevorzugt, dass in Schritten b) und f) die gleiche La serquelle zum Erzeugen der Laserstrahlung verwendet wird. Dadurch wird beim Rückschließen auf die Position und die Ab messungen des Bauteils und bei dem selektiven Laserschmelzen ein identisches oder zumindest sehr ähnliches Raster verwen det, so dass der eine Abschnitt und der andere Abschnitt in dem Bauteil besonders gut aufeinander passen.

Es ist bevorzugt, dass die Strahlung eine Wärmestrahlung ist. Die Wärmestrahlung hat den Vorteil, dass sie gleichmäßig in alle Richtungen emittiert wird, so dass es eine große Flexi bilität gibt, wo in der SLM-Anlage ein Detektor zum Detektie- ren der Wärmestrahlung angeordnet werden kann. Die Wärme strahlung wird bevorzugt bei einer Detektionswellenlänge de- tektiert, die verschieden von der Wellenlänge der Laserstrah lung ist. Dadurch kann vorteilhaft vermieden werden, dass in Schritt c) die Laserstrahlung detektiert wird, was in Schritt d) das Rückschließen auf die Position und die Abmessungen des Bauteils verfälschen kann. In Schritt c) wird bevorzugt derjenige Teil der Strahlung de- tektiert, der sich ausgehend von einem auf der nach oben ge wandten Oberfläche des Bauraums angeordneten Auftreffpunkt der Laserstrahlung entgegen der Richtung der Laserstrahlung ausbreitet. Hier handelt es sich vorteilhaft um einen einfach zu justierenden Aufbau. Beispielsweise kann die Strahlung von der Laserstrahlung mittels eines Strahlteilers abgetrennt werden .

Alternativ ist bevorzugt, dass in Schritt c) derjenige Teil der Strahlung detektiert wird, der sich ausgehend von einem auf der nach oben gewandten Oberfläche des Bauraums angeord neten Auftreffpunkt der Laserstrahlung versetzt zu der Rich tung der Laserstrahlung ausbreitet. Dadurch kann die Menge an der Laserstrahlung, die zusammen mit der Strahlung in Schritt c) detektiert wird und die in Schritt d) das Rückschließen auf die Position und die Abmessungen des Bauteils verfälschen kann, vorteilhaft vermindert.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt d) ein Raster von in

Schritt c) detektierten Intensitäten der Strahlung gebildet wird und Übergänge von den Bereichen zu den anderen Bereichen durch Identifizieren von Gradienten der Intensitäten in dem Raster bestimmt werden. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Bauteils und des Pulvers sowie in Abhängigkeit davon, wie die Strahlung beschaffen ist und wie sie detektiert wird, kann der Übergang von den Bereichen, die von dem Bauteil ge bildet sind, zu den anderen Bereichen, die von dem Pulver ge bildet sind, mit einer Erniedrigung der detektierten Intensi tät oder mit einer Erhöhung der detektierten Intensität ein hergehen. Dabei ist bevorzugt, dass in Schritt c) zuerst das Raster grobmaschig abgerastert wird und nach dem Bestimmen der Übergänge in Schritt d) im Bereich der Übergänge das Ras ter feinmaschig abgerastert wird. Dadurch können auf die Po sition und die Abmessungen des Bauteils mit einer besonders hohen Genauigkeit in einer gleichzeitig kurzen Zeitdauer zu rückgeschlossen werden. Die Bereiche und die anderen Bereiche liegen bevorzugt in ei ner gleichen horizontalen Ebene, insbesondere liegen die Be reiche und die anderen Bereiche vollständig in einer gleichen horizontalen Ebene.

Die erfindungsgemäß SLM-Anlage ist eingerichtet, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens oder gemäß eines bevorzugten Verfahrens durchzuführen.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeich nungen die Erfindung näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine SLM-Anlage,

Figur 2 zeigt ein Bauteil und

Figur 3 zeigt das Bauteil mit einem Raster.

Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, wurde in einer SLM-Anlage 1 in einem Schritt a) ein Bauraum 17 bereitgestellt. Der Bau raum 17 weist ein Bauteil 2 und daran angrenzend ein Pulver 3 auf. Eine nach oben gewandte Oberfläche 18 des Bauraums 17 weist Bereiche, die von dem Bauteil 2 gebildet sind, und an dere Bereiche auf, die von dem Pulver 3 gebildet sind. Die Bereiche und die anderen Bereiche liegen vollständig in einer gleichen horizontalen Ebene. Das Bauteil 2 kann durch ein von einem generativen Herstellungsverfahren, insbesondere selek tives Laserschmelzen, verschiedenes Herstellungsverfahren hergestellt sein, beispielsweise durch Gießen. Bei dem Pulver 3 kann es sich beispielsweise um ein Metallpulver und/oder um ein Keramikpulver handeln.

Die SLM-Anlage 1 weist zudem eine Laserquelle 4 auf, die ein gerichtet ist Laserstrahlung zu emittieren. Bei der Laser quelle 4 kann es sich beispielsweise um einen Nd:YAG Laser handeln. In diesem Fall kann die Laserstrahlung von der Fun damentalen des Nd:YAG Lasers gebildet sein und somit eine Wellenlänge von 1064 nm haben. Die Laserstrahlung breitet sich in einem Betrieb der SLM-Anlage 1 entlang eines Strah lengangs 5 aus. Die SLM-Anlage 1 weist einen Strahlteiler 6, einen Scanspiegel 7 und ein Linsensystem 8 auf. Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die SLM-Anlage 1 eingerichtet, die Laserstrahlung via den Strahlteiler 6 auf den Scanspiegel 7 zu lenken. Der Scanspiegel 7 ist beweglich gelagert und von der SLM-Anlage 1 derart ansteuerbar, dass die Laserstrahlung via das Linsensystem 8, das in dem Strahlengang 5 zwischen dem Scanspiegel 7 und der nach oben gewandten Oberfläche 18 des Bauraums 17 angeordnet ist, auf jeden beliebigen Punkt der nach oben gewandten Oberfläche 18 des Bauraums 17 lenkbar ist. Das Linsensystem 18 ist eingerichtet die Laserstrahlung auf die nach oben gewandte Oberfläche 18 des Bauraums 17 zu fokussieren. Bei dem Linsensystem 18 handelt es beispielswei se um ein F-Theta Objektiv.

In einem Schritt b) wird die nach oben gewandten Oberfläche 18 mit der Laserstrahlung abgerastert, wobei die Leistung und die Einwirkungsdauer der Laserstrahlung derart gewählt wer den, dass das Bauteil 2 und das Pulver 3 nicht geschmolzen werden. Zudem werden die Leistung und die Einwirkungsdauer der Laserstrahlung derart gewählt, dass das Bauteil 2 und das Pulver 3 aufgewärmt werden. In dem Fall, dass es sich bei der Laserquelle 4 um einen Nd:YAG Laser handelt, kann die Leis tung durch eine Variation von Lichtleistung, mit der ein Nd:YAG Kristall des Nd:YAG Laser gepumpt wird, variiert wer den. Aufgrund einer Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Bauraum 17 an einem Auftreffpunkt 9 der Laserstrahlung, der auf der nach oben gewandten Oberfläche 18 des Bauraums 17 an geordnet ist, wird Wärmestrahlung 10 emittiert.

In einem Schritt c) wird die Wärmestrahlung detektiert. Dabei kann die Wärmestrahlung bei einer Detektionswellenlänge de- tektier werden, die verschieden von der Wellenlänge der La serstrahlung ist. Bei dem Nd:YAG Laser kann die Detektions wellenlänge beispielsweise länger als 1064 nm sein. Dies kann beispielsweise mittels eines Detektors 13 oder mittels einer Kamera 14 erfolgen. Bei dem Detektor 13 ist es ausreichend, wenn er lediglich ein einzelnes Detektorelement aufweist, wie beispielsweise eine Photodiode. Die Kamera 14 hingegen weist eine zweidimensionale Matrix an Detektorelementen auf. Bei der Kamera 14 kann es sich beispielsweise um eine CMOS-Kamera oder um eine Mikrobolometerkamera handeln. Die Kamera 14 weist ein Objektiv 15 auf, das eingerichtet ist, die nach oben gewandte Oberfläche 18 des Bauraums 17 auf die zweidi mensionale Matrix an den Detektorelementen abzubilden. Auf grund des Scanspiegels 7 und des Linsensystems 8 wird es schwierig sein, die Kamera 14 senkrecht auf die nach oben ge wandte Oberfläche 18 des Bauraums 17 zu richten. Die Abbil dungsfehler, die aufgrund einer schrägen Ausrichtung der Ka mera 14 auf die nach oben gewandte Oberfläche 18 des Bauraums 17 entstehen, können beispielsweise korrigiert werden, indem für das Objektiv 15 ein Scheimpflug Objektiv verwendet wird.

Figur 1 zeigt, dass der Detektor 13 angeordnet ist, die an dem Strahlteiler 6 reflektierte Wärmestrahlung zu detektie- ren. Es ist ebenso denkbar, dass der Detektor 13 an ein einer anderen Position in der SLM-Anlage angeordnet ist, solange das Sichtfeld des Detektors 13 die vollständige nach oben ge wandte Oberfläche 18 des Bauraums 17 beinhaltet. Die von dem Strahlteiler 6 reflektierte Wärmestrahlung zu detektieren hat den Vorteil, dass das Linsensystem 8 eine größere Menge an der Infrarotstrahlung einsammelt und auf den Detektor 13 lei tet, als wenn der Detektor 13 an der anderen Position ange ordnet ist. Figur 1 zeigt einen ersten Strahlengang 11 der Wärmestrahlung 10, der derjenigen Teil der Wärmestrahlung be schreibt, der ausgehend von dem Auftreffpunkt 9 der Laser strahlung sich entgegen der Richtung der Laserstrahlung aus breitet. Außerdem ist ein zweiter Strahlengang 12 der Wärme strahlung 10 eingezeichnet, der derjenigen Teil der Wärme strahlung detektiert ist, der sich ausgehend von dem Auf treffpunkt 9 der Laserstrahlung versetzt zu der Richtung der Laserstrahlung ausbreitet. Es hierbei denkbar, dass in

Schritt c) die Wärmestrahlung von nur dem Strahlengang 11, von nur dem Strahlengang 12 oder von beiden Strahlengängen 11 und 12 detektiert wird. Der erste Strahlengang 10 kann auch die Laserstrahlung aufweisen. Beispielsweise kann die Laser strahlung in dem ersten Strahlengang 10 von dem Linsensystem 8 zurückreflektiert worden sein und unvollständig an dem Strahlteiler 6 von der Wärmestrahlung 10 abgetrennt worden sein. Diese unvollständig abgetrennte Laserstrahlung kann die Detektion der Wärmestrahlung stören. Hier kann es vorteilhaft sein, lediglich die Wärmestrahlung in dem zweiten Strahlen gang 11 zu detektieren.

In einem Schritt d) wird von der in Schritt c) detektierten Wärmestrahlung auf eine Position und Abmessungen des Bauteils 2 zurückgeschlossen. Dazu wird ein Raster 16 von in Schritt c) detektierten Intensitäten der Strahlung gebildet und Über gänge von den Bereichen zu den anderen Bereichen werden durch Identifizieren von Gradienten der Intensitäten in dem Raster 16 bestimmt. Wie es aus Figuren 1 und 3 ersichtlich ist, wird das Raster 16 in x-Richtung und in y-Richtung aufgespannt.

Zum Vergleich sind in Figur 1 ebenfalls die x-Richtung, die y-Richtung und zusätzlich noch eine z-Richtung eingezeichnet. Es ist denkbar, dass in Schritt c) zuerst das Raster 16 grob maschig abgerastert wird und nach dem Bestimmen der Übergänge in Schritt d) im Bereich der Übergänge das Raster 16 feinma schig abgerastert wird.

In einem Schritt e) wird anhand der Abmessungen die in der nach oben gewandten Oberfläche 18 des Bauraums 17 angeordnete Fläche des Bauteils 2 in einem dreidimensionalen Computermo dell 19 identifiziert, das das Bauteil 2 beinhaltet. Das Com putermodell 19 ist in Figur 1 veranschaulicht und weist einen gestrichelten gezeichneten Abschnitt des Bauteils 2, der der eine Abschnitt des Bauteils 2 ist, und einen schraffiert ge zeichneten Abschnitt des Bauteils 2 auf, der der andere Ab schnitt des Bauteils 2 ist. In einem Schritt f) wird mindes tens eine Schicht des Pulvers 3 auf die nach oben gewandte Oberfläche 18 des Bauraums 17 aufgebracht und das Bauteils 2 wird erweitert durch selektives Laserschmelzen des Pulvers 3 mittels Laserstrahlung in jeder der Schichten anhand der Po- sition und der in dem dreidimensionalen Computermodell 19 identifizierten Fläche. Dies ist besonders relevant wenn der Querschnitt des Bauteils 2, wie in Figur 1 dargestellt, in der z-Richtung variiert. In Schritten b) und f) kann, wie in Figur 1 dargestellt, die gleiche Laserquelle 4 zum Erzeugen der Laserstrahlung verwendet werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .